Für besonders harte Fälle

Keramik - Ob im Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau - Keramikwerkstoffe sind im Kommen. Wo besondere Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit und die mechanische Beanspruchung gestellt werden, bietet Hochleistungskeramik Lösungen.

11. Oktober 2005

Keramik wird mit High- tech assoziiert. Jeder Kon­strukteur kennt Lösungen wie die keramische Scheibenbremse von Porsche und weiß, dass Hochleistungskeramik deutlich verschleißfester ist als metal­lische Werkstoffe. Obwohl man gern den Hightech-Anspruch der Keramik für die eigenen Produkte nutzen würde, gibt es Vorbehalte - die man jedoch leicht ausräumen kann.

Ein spröder Werkstoff?

Der erste Vorbehalt, auf den die Beratungsingenieure von Do Ceram häufig treffen, bezieht sich auf die Materialeigenschaften: Keramik, so die gängige Meinung, ist spröde. Das ist generell auch richtig - konventionelle Keramikwerkstoffe sind zwar extrem widerstandsfähig gegen Abrasion, aber sie reagieren empfindlich auf Stoß- und Schlagbeanspruchung. Allerdings gibt es einen Hochleistungswerkstoff, der sich anders verhält: Die blaue Cerazur-Keramik von Do Ceram weist eine hohe Schlagzähigkeit auf. Diese Eigenschaft, kombiniert mit extremer Verschleißfestigkeit, macht Cerazur beispielsweise zum idealen Werkstoff für die Positionier- und Zentrierstifte in den automatisierten Schweißanlagen der Automobilproduktion. Roboter legen hier mit hoher Geschwindigkeit Bleche in die Werkzeuge ein, Schweißroboter verbinden die Bleche. Die Positionier- und Zentrierstifte, welche die Werkstücke in Position halten, werden dabei extrem beansprucht, da die Bleche im Sekundentakt an die Stifte anschlagen. Selbst Stifte aus Hartmetall sind nach kurzer Seit so verformt, dass sie ausgetauscht werden müssen. Große Automobilwerke haben daher einen sechsstelligen Bedarf an Positionier- und Zentrierstiften. Dieser Bedarf reduziert sich auf ein Bruchteil, wenn in diesem kritischen Bereich Komponenten aus Cerazur zum Einsatz kommen. Erfahrungen zeigen, dass die Cerazur-Komponenten bei großen Automobilherstellern im Vergleich zu gehärteten Stahlkomponenten meist eine mehr als fünfzigfach höhere Lebensdauer erreichen.

Ist Keramik teurer?

Den Vorbehalt in puncto Schlagzähigkeit kann man somit ausräumen. Gilt das auch für einen zweiten Vorbehalt: die Kosten? Keramik - so hört man immer wieder im Maschinen- und Anlagenbau - ist teuer. Das kann man am Beispiel der Schweißtechnik relativieren. Wenn ein Positionierstift aus Cerazur zehnmal so teuer ist wie einer aus Stahl, aber die zigfache Standzeit erreicht, dann kostet er letztlich nur ein Bruchteil. In dieser Rechnung sind die Anlagenstillstandszeiten und der Personaleinsatz für das Auswechseln der Stifte noch gar nicht eingerechnet: Wenn man die Gesamtkosten betrachtet, fällt die Bilanz für die Keramik nochmals deutlich günstiger aus. Dies gilt natürlich nicht nur für dieses Beispiel, sondern generell für keramische Konstruktionen. Allerdings gibt es in der Praxis auch gegenteilige Erfahrungen. Auch hierzu ein Praxisbeispiel: Das Bauteil einer Konstruktion stößt an Belastungsgrenzen. Was kann der Konstrukteur tun? Er schickt die Zeichnung des Bauteils an Do Ceran und fragt den Preis an. Dort wird das Bauteil kalkuliert. Die Kosten sind dann in der Tat meist höher, vielleicht auch viel höher als erwartet. Das kann man aber relativieren, wenn man die Vorgehensweise ändert. Die Kosten werden in der Konstruktion festgelegt. Die Unterstützung bei der werkstoff- und kostengerechten Konstruktion der Keramikkomponenten zählt zum Kundenservice. Sinnvoll ist die Einbindung des Keramikherstellers bereits im Stadium der Entwicklung, lange bevor die Zeichnung entgültig festgelegt ist. Toleranzen sind in der Metallbearbeitung kostengünstig zu erzeugen. Die extrem harte Keramik hingegen ist aufwändig in der Bearbeitung, und die Rohlinge für die Bearbeitung sind herstellungsbedingt nicht so maßgenau wie metallische Komponenten. Somit sollte sich der Konstrukteur sehr genau fragen, in welchen Zonen des Bauteils wirklich hohe Toleranzen erforderlich sind. Wenn die Anforderungen entsprechend optimiert werden, sinken auch die Herstellungskosten.

Herstellungsverfahren variiert nach Stückzahl

Unterschiedliche Stückzahlen erfordern andere Herstellverfahren der Keramikprodukte und verursachen teils sehr unterschiedliche Kosten. Es ist einleuchtend, dass ein Keramikbauteil anders aussehen muss und anders ausgelegt wird, wenn es beispielsweise durch Spritzguss statt mittels Zerspanung hergestellt wird. Das Bauteil wird sinnvollerweise als Serienbauteil für den Spritzguß konstruiert, während man Prototypen und Vorserienprodukte über die Zerspanung herstellt. Das ist zwar in der Entwicklungsphase etwas teurer. Der Kunde hat aber bereits nach wenigen Wochen seine Bauteile und vermeidet teure Formkosten. Verschiedene Fertigungstechnologien tragen dazu bei, eine kostengünstige Lösung zu finden. Serienteile lassen sich in werkzeuggebundener Formgebung, über das Trockenpressen oder den Niederdruck-Spritzguss (LPIM), herstellen.

Die eigene Werkzeugkonstruktion sorgt dabei für kurze Vorlaufzeiten und hohe Präzision auch und gerade bei der Produktion kundenspezifischer OEM-Teile, und als zusätzlicher kostendämpfender Faktor wirkt sich die Arbeitsteilung der beiden Fertigungsstätten in Dortmund und China aus: In China werden Massenteile in mittlerer Präzision gefertigt, in Dortmund Teile mit hohen Anforderungen an die Präzision. Dafür steht ein hochmoderner Maschinenpark mit automatisierten Handhabungssystemen zur Verfügung, die im Dreischichtbetrieb auch in ›mannlosen‹ Schichten arbeiten können und die Bauteile ›in-line‹ vermessen. In vielen Fällen werden auch Komponenten, die in China produziert wurden, in Dortmund endbearbeitet. Da sich diese Arbeitsteilung bestens bewährt, werden beide Standorte kontinuierlich ausgebaut.

Keramikgerecht konstruieren

Kostensparend wirken sich auch Metall-Keramik-Verbundkonstruktionen aus: Keramik wird dann nur dort eingesetzt, wo extremer Verschleißschutz erforderlich ist. Zur Entwicklung solcher Lösungenist Cerazur bestens geeignet, weil es das gleiche E-Modul und einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie Stahl. Die Verbindung der Werkstoffe kann z.?B. über Schrumpfen erfolgen. Für die Positionierstifte hat das Unternehmen ein innovatives Adaptersystem entwickelt, über welches das keramische Zentrierelement mit dem metallischen Aufnahmezapfen verbunden wird. Keramikgerechtes Konstruieren ist ein ganz entscheidender Faktor: Durch die Optimierung der Konstruktion konnten die Kosten für ein Pkw-Sensorgehäuse, das in Motornähe eingebaut wird, auf etwa ein Drittel gesenkt werden. Hier zahlt sich Beratung also wirklich aus und trägt dazu bei, neue Einsatzbereiche für die Keramik zu erschließen - und dem Vorurteil entgegenzutreten, dass Keramik immer teuer sein muss. Deshalb erwarten Konstrukteure im Maschinen- und Anla­genbau sowie im Fahrzeugbau nicht nur Werkstoffe und Produkte, sondern intelligente ›advanced ceramic solutions‹ mit einer umfassenden Konstruktionsberatung.

Marcus Keulen, Do Ceram

Erschienen in Ausgabe: 07/2005