Mit Keramik konstruieren

Technische Keramik - Elefanten stapfen gerne durch Porzellanläden. Der Schaden am klassischen Werkstoff der Keramik ist dann meist groß. Technische Keramik reagiert weniger empfindlich. Implantate aus Keramik fürs Kniegelenk halten mittlerweile 25 Jahre. Ein langes Leben und einiges mehr verspricht der Werkstoff im Maschinenbau.

04. Juli 2005

Wissenschaftler vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover entwickelten zusammen mit Medizinern verschleißarme Gelenkprothesen aus Keramik. Sie werden etwa zehn Jahre länger halten als bisherige Produkte aus Kobalt-Chrom-Legierungen und Kunststoff. Darüber hinaus sind sie körperverträglicher. Dadurch wird die Zahl der Operationen in Zukunft sinken. Automatisierte Fertigungsmethoden, die zur Zeit am IFW erforscht werden, sollen zudem den zeitintensiven Polierprozeß bei der Prothesenherstellung optimieren hier ist derzeit zum Teil noch Handarbeit erforderlich.

Dem Werkstoff Keramik erschließen sich auch in der Technik stetig neue Anwendungen. Technische Lösungen mit Keramik nutzen Eigenschaften und Eigenschaftskombinationen, die nur keramische Werkstoffe bieten. Ohne keramische Isolierteile würden viele Haushaltsgeräte nicht funktionieren. Ebenso wäre ohne Isolatoren und Sicherungsbauteile aus Technischer Keramik eine zuverlässige Stromversorgung nicht denkbar. Keramische Substrate und Bauteile bilden die Grundlage für Komponenten und Baugruppen in allen Bereichen der Elektronik, und in Armaturen sorgen Gleit- und Regelelemente für verschleißfreie Dichtigkeit. Schon diese wenigen Beispiele zeigen, wie wichtig die Technische Keramik ist. Allerdings sind keramische Bauteile als Bestandteile von Funktionsgruppen in Geräten und Anlagen, Maschinen und Fahrzeugen normalerweise nicht sofort sichtbar. So verlassen wir uns tagtäglich auf Technische Keramik meist ohne dies zu wissen. Schon 1849 vertraute Werner von Siemens beim Bau der Telegrafenleitung von Frankfurt am Main nach Berlin auf Isolatoren aus Porzellan. Als Werkstoff für Sicherungen, Schalter, Lampenfassungen und viele andere Bauteile wurde Porzellan zum wichtigen Wegbegleiter der Elektrotechnik. Porzellan, genauer Quarzporzellan, wird aus wenigen, ganz natürlichen Rohstoffen hergestellt: Quarz, Feldspat und Kaolin.

Traditionelle keramische Werkstoffe

Dieser traditionelle Werkstoff der Silikatkeramik verfügt über die wesentlichen Eigenschaften der Technischen Keramik, wie Isolationsvermögen, Formstabilität, Härte, Hitze- und Korrosionsbeständigkeit.

Gestiegene Anforderungen an die keramischen Bauteile für die Stromerzeugung und -verteilung sowie im Maschinenbau führten zur Verbesserung der Werkstoffe und zur Entwicklung neuer Herstellungsmethoden. So entstand z.B. durch den Austausch von Quarz gegen Aluminiumoxid aus Porzellan das hochfeste Tonerdeporzellan. Eine ähnliche Entwicklung nahmen die Werkstoffe auf Basis des Specksteins. ›Steatit‹ und ›Cordierit‹ entstanden. Silikatkeramische Werkstoffe ermöglichen heute in der elektrischen Installations- und Sicherungstechnik sowie bei Hochtemperaturanwendungen sehr wirtschaftliche und zuverlässige Lösungen. Die breite Anwendung Technischer Keramik in der Elektrotechnik erforderte die Bestimmung und Beschreibung der Werkstoffe und ihrer Eigenschaften. Schon sehr früh erfolgte deshalb die Normung für die Elektrotechnik. Bekannt ist die Norm VDE 0335. Darauf aufbauend entstand die internationale Norm IEC 672.

Oxid- oder Nichtoxid-Keramik?

Synthetische Rohstoffe Oxide und Mischoxide bilden die Grundlage dieser Gruppe von keramischen Werkstoffen. Der bedeutendste oxidkeramische Werkstoff ist das Aluminiumoxid. Es vereint in sich die wichtigsten Eigenschaften Technischer Keramik und erfüllt auf breiter Basis die hohen Anforderungen beim Einsatz in der Elektronik, Elektrotechnik, der Meß- und Regeltechnik sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Andere Werkstoffe aus der Oxidkeramik-Familie erschließen mit speziellen Eigenschaften wie hoher Zähigkeit, Temperatur- und Temperaturschockbeständigkeit heute einzigartige Anwendungsmöglichkeiten und bieten interessante Perspektiven für die Zukunft.

Piezokeramik kann Druckkräfte in elektrische Impulse umwandeln und umgekehrt. Als Sensoren, Generatoren und Aktoren sind piezokeramische Bauteile in mannigfaltigen Bereichen im Einsatz. In der Fahrzeugtechnik lösen sie z.B. den Airbag rechtzeitig aus und im Nierensteinzertrümmerer erzeugen sie die Ultraschall-Schockwellen, die eine unblutige Behandlung ermöglichen. Diese Hochleistungswerkstoffe werden aus synthetischen, nichtoxidischen Pulvern hergestellt. Unter den Carbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden zählen Siliciumcarbid und Siliciumnitrid zu den gebräuchlichsten Werkstoffen. Siliciumcarbid eignet sich hervorragend für Bauteile, die, neben starken mechanischen und korrosiven Belastungen, Temperaturen bis weit über 1.400 °C ausgesetzt sind. Konstruktionsbauteile im Maschinen- und Anlagenbau sind dafür typische Beispiele.

Andere nichtoxidische Keramiken vereinen niedriges spezifisches Gewicht und hohe Zähigkeit. Testfahrzeuge mit Motorventilen aus Siliciumnitrid sind bereits erfolgreich unterwegs. Aluminiumnitrid sorgt durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit bei Leistungshalbleitern für effektive Kühlung.

Erst die wohlüberlegte Integration des keramischen Bauteils in das Gesamtsystem läßt die Vorteile der Werkstoffe zur Geltung kommen. Die Beratung durch die Hersteller kann dabei eine wertvolle Hilfe sein. Schon in der Entwicklungsphase von Bauteilen gewähren Werkstoff- und Anwendungsfachleute gerne Unterstützung bei der Analyse und Definition der Anforderungskriterien und konstruktiven Voraussetzungen.

Die Einsatzbedingungen wirken sich auf die Werkstoffauswahl und die Formgebung des Bauteiles sowie auf seine Vorbereitung für den Einbau aus. Ziel der Hersteller ist es, die Endkontur eines Bauteiles schon nach dem Brennprozeß, dem sogenannten Sintern, zu erreichen. Auf diese Weise verlassen heute über 80% der gefertigten Teile die Produktion, sind einbaufertig und müssen nicht weiter nachbearbeitet werden.

Die Möglichkeiten keramischer Werkstoffe sind sicherlich noch lange nicht ausgereizt, denn mit ihren vielseitigen Eigenschaften bieten sie eine Grundlage für innovative Lösungen. Keramikgerechte Konstruktionen führen in der Regel zu Produkten, die funktionaler, zuverlässiger und langlebiger sind als traditionelle Lösungen.

Martin Hartmann, Informationszentrum Technische Keramik

Erschienen in Ausgabe: 05/2004