Die Vielfalt entscheidet

Technik Werkstoffe

Keramikwerkstoffe – Die Entwicklung optimaler Keramikkomponenten erfordert den Bau von Prototoypen für Langzeittests, etwa von Verschleiß und Korrosion. Neue Fertigungsverfahren vereinfachen jetzt die Herstellung von Werkstoff- und Bauform-Varianten.

17. September 2015

Zu den wichtigsten Trends in der Industrie gehört die permanente Entwicklung neuer Werkstoffe, mit denen sich die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen erhöhen lassen. Vielseitige Möglichkeiten versprechen dabei vor allem oxidkeramische Werkstoffe, die sich unter anderem bei der Lösung von Verschleiß- und Korrosionsproblemen sowie für elektrische und thermische Isolationsaufgaben vielfach bewährt haben und zudem wertvolle Beiträge zu Materialeffizienz, Energieeffizienz und Leichtbau leisten. Aluminiumoxid-Keramiken zum Beispiel sind auch bei hohen Temperaturen ein hervorragender elektrischer Isolator, dabei zugleich korrosions- und alterungsbeständig, verschleißfest, formbeständig und zudem biologisch unbedenklich. Die unterschiedlichen Gefüge dieser Werkstoffe sind gut reproduzierbar und abhängig vom Aluminiumoxidgehalt, vom Herstellungsweg sowie von der mechanischen und thermischen Nachbehandlung. So lassen sich zum Beispiel für Führungselemente definierte Oberflächenzustände einstellen.

Zirkonoxid dagegen ist ein typischer Ingenieurkeramik-Werkstoff. Durch die Stabilisierung mit Magnesiumoxid (Mg-PSZ) oder Yttriumoxid (Y-TZP) entstehen Gefüge mit hoher Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit. Die Trockenlaufeigenschaften, die hohe Formbeständigkeit und der niedrige Reibungskoeffizient gegenüber Metall machen Zirkonoxid zu einem erfolgreichen Werkstoff für Gleitlager. Die niedrige thermische Leitfähigkeit und die hohe Druckfestigkeit sind interessant für die Optimierung des Wärmeaushalts u.a. in Werkzeugen. MgPSZ ist kostengünstiger als YTZP, das dafür die höchste Biegebruchfestigkeit aller oxidkeramischen Werkstoffe hat. Wenn bei der vorgesehenen Anwendung die Kantenfestigkeit von Mg-PSZ genügt, lassen sich durch die Substitution von Y-TZP durch Mg-PSZ Rohstoff-Kosten einsparen.

Entscheidend für die Entwicklung optimaler Keramikkomponenten sind jedoch Langzeittests, etwa von Verschleiß und Korrosion, im realen Umfeld mit Hilfe von Prototypen und Versuchsmustern, da allein die Kenntnis von Werkstoffkennwerten in der Praxis oft nicht ausreicht. Früher erforderte die Herstellung von geometrischen Varianten dafür jedoch den Bau von individuellen Werkzeugen und deren anschließende Änderungen mit entsprechend langen Fertigungszeiten. Bei der Herstellung von Werkstoffvarianten mit gleichen Baumaßen kam dazu der zusätzliche Aufwand aufgrund der unterschiedlichen Schwindung der verschiedenen Werkstoffe beim Sintern. Heute eröffnen jedoch CAD-Werkzeuge und Fünf-Achs-Fräszentren völlig neue Wege für das Prototyping. Dazu werden zunächst Rohlinge mit einfacher Geometrie aus vorhandenen Werkzeugen gepresst und bis zum lederharten Zustand vorgesintert. Die entstehenden Keramikrohlinge sind mit Hartmetallwerkzeugen bearbeitbar. Werkzeugwechseleinrichtungen und angepasste Spannvorrichtungen machen die Fertigung dabei flexibel und wirtschaftlich. Anschließend werden die verglühten weißbearbeiteten Bauteile bei Temperaturen zwischen 1.600 und 1.700 Grad Celsius gesintert. Die werkstoffspezifische Schwindung von 15 bis 25 Prozent wird dabei als Aufmaß bei den CAD-Daten berücksichtigt.

Variation durch Feinschliff

Fertig gesinterte Keramik-Halbzeuge dagegen sind dicht und können aufgrund ihrer hohen Härte nicht mit Hartmetallwerkzeugen bearbeitet werden. Hierfür steht jetzt mit dem Ultrasonic-Verfahren ein innovatives Verfahren zur Verfügung, mit dem sich Prototypen in 3D-Präzision für Versuche bereitstellen lassen. Mit dem Verfahren lassen sich Bohrungen bis 0,3 Millimeter, 3D-Konturen, Taschen, Nuten und Schlitze gut reproduzierbar und in sehr hoher Präzision herstellen. Die Fünf-Achsen-Fräsmaschine wird dazu mit einem Ultraschall-Bearbeitungskopf ausgerüstet, dessen Aktor-Werkzeuge mit ca. 20.000 Hertz in einer Diamant-Öl-Emulsion schwingen und kleine Partikel aus der Keramikoberfläche abtragen. Die räumliche Distanz zwischen Werkzeug und Werkstück gewährleistet geringe Prozesskräfte und thermische Belastungen und schont Werkzeug und Werkstück.

Für den Konstrukteur bringt die Bearbeitung gesinterter Halbzeuge durch das schwingungsunterstützte Schleifen und Bohren zusätzliche Freiheitsgrade. So können unterschiedliche Werkstoffe ohne Rücksicht auf unterschiedliche Schwindungen in einer Aufspannung werkzeuglos bearbeitet werden. Ebenso lassen sich in einer einzigen Aufspannung unterschiedliche Designs für Versuchsreihen realisieren, indem zum Beispiel Bohrungsdurchmesser, Nutenbreiten oder Krümmungsradien modifiziert werden.

Prototyp in Serienqualität

Zusammen ermöglichen die abtragenden Verfahren so das 3D-Design von Konstruktionsteilen aus Oxidkeramik mit komplexer Geometrie in hoher Präzision und sehr guter Oberflächenqualität. Die keramischen Bauteile sind dicht und haben hinsichtlich der mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften reproduzierbare Serienqualität. Die Zerspanung eines Rohlings ist dabei in wenigen Minuten realisiert. Eine neue Werkstoffentwicklung ist nicht notwendig. Die Bauteilgröße wird bestimmt durch die Größe der Pressrohlinge, durch den Bearbeitungsraum im 3D-Fräszentrum und die nachfolgenden Prozesse Sintern und Hartbearbeitung. Die große Auswahl an bewährten Werkstoffen, Gefügen, Oberflächenbehandlungen und Geometrien bietet dem Entwickler somit ein modulares System für die Optimierung seiner Konstruktion.

Die flexible Fertigung von Prototypen unterstützt somit gleichzeitig mehrere Megatrends in der industriellen Produktion, wie zum Beispiel Kosten, Gewicht und Raum einsparen, Langzeitstabilität, Individualisierung oder Multifunktionalität durch die Entwicklung von Bauteilen mit komplexer Geometrie aus mehreren Bauteilen mit einfacher Geometrie. Dies spart Werkzeugkosten und unnötige Produktionsprozesse, verkürzt die Fertigungszeit, trägt zur Material- und Energieeffizienz bei und vereinfacht die Lagerhaltung und Ersatzteilbevorratung. Zudem entfallen viele Montageprozesse mit hohen Anforderungen an die Einbindung der Keramikbauteile in die konstruktive Umgebung von Metall- und Kunststoffteilen.

Der neue Stand der 3D-Technologie durch abtragende Verfahren gibt einen Anstoß, derzeitige Konstruktionen zu überdenken. So sind gerade Zukunftstechnologien, wie die Elektromobilität und die Solartechnik, auf eine zuverlässige langzeitstabile elektrische und thermische Trennung angewiesen, aber auch im Maschinen- und Anlagenbau oder in der Sensortechnik lassen sich mit verschleißfesten, korrosionsbeständigen und alterungsbeständigen keramischen Bauteilen die Reparaturanfälligkeit sowie die Instandhaltungs- und Servicekosten reduzieren.bt

Auf einen Blick

- Die Rauschert Reinersdorf Pressig GmbH im oberfränkischen Pressig fertigt seit 1898 technische Produkte aus Keramik und Kunststoff.

- Verarbeitet werden Werkstoffe der Oxidkeramik und der Silikatkeramik mit unterschiedlichen Formgebungsverfahren, wie Pressen, Extrudieren , Spritzgießen und Plasmaspritzen.

- Das Familienunternehmen beschäftigt 1.200 Mitarbeiter an 12 Produktionsstätten in 12 Ländern weltweit.

Erschienen in Ausgabe: 07/2015