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Sembach Technische Keramik: unterschätzte Alternative zu Metall und Kunststoff

Redakteur: Alexander Stark

Technische Keramik hat häufig mit dem Vorurteil zu kämpfen, dass sie teuer und zerbrechlich sei. Tatsächlich ist Technische Keramik äußerst vielfältig und kann mit der passenden Fertigungstechnologie ein gleichwertiger oder gar besser geeigneter Ersatz für Bauteile aus Metall oder Kunststoff sein.

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Im Mikrospritzguss gefertigt: eine Endoskopspitze für minimalinvasive Eingriffe.
Im Mikrospritzguss gefertigt: eine Endoskopspitze für minimalinvasive Eingriffe.
(Bild: Sembach Technical Ceramics)
  • Mit Keramikspritzguss lassen sich komplexe Bauteile wirtschaftlich fertigen
  • Integraler Aufwand bei der Herstellung von Produkten ist wesentlich geringer
  • Mehr Spielraum bei der Gestaltung von keramischen Bauteilen höchster Festigkeit, höchster Zähigkeit und bester Oberflächenqualität

Die Möglichkeiten Technischer Keramik sind noch immer nicht vollständig bekannt. Fälschlicherweise wird gedacht, sie sei teuer und breche leicht, sie sei zu temperaturempfindlich oder es könnten nur simple Formen hergestellt werden. Mit modernen Verfahren wie der Spritzgusstechnologie realisiert Sembach Technical Ceramics aber auch komplexe Geometrien oder Mikroteile. Neben konstruktiven Vorteilen bietet dieses Verfahren in der Serienfertigung auch wirtschaftlichen Nutzen.

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Folgende grundlegende Eigenschaften technischer Keramik prädestinieren den Werkstoff für zahlreiche hochtechnologische Anwendungen:

  • hohe Temperaturbeständigkeit (bis 1.800 °C)
  • günstige Verschleiß- und Korrosionseigenschaften
  • hohe bis sehr hohe Festigkeiten
  • hervorragende Härte (bei Aluminiumoxid nahezu ähnlich wie Diamant)
  • elektrische Isolation
  • thermische Isolation bzw. hohe thermische Leitfähigkeit
  • Formstabilität (auch bei hohen Temperaturen)
  • Feuerfestigkeit
  • Alterungsbeständigkeit
  • Biokompatibilität

Das passende Formgebungsverfahren

Der initiale Aufwand für die Herstellung eines Produkts aus Keramik ist tatsächlich manchmal höher als bei gewohnten Werkstoffen aus Metall oder Kunststoff. Im Produktionsprozess zeigt sich dann jedoch häufig, dass der integrale Aufwand wesentlich geringer und die Keramik in der Herstellung insgesamt günstiger, weil länger haltbar ist. Ein kleiner Überblick über die Formgebungsverfahren zeigt, welches Spektrum an Bauteilen und Anwendungen mit Technischer Keramik möglich ist:

Extrusion: Achssymmetrische keramische Bauteile wie Rohre, Stäbe oder Profile lassen sich im Extrusionsverfahren herstellen. Zur Extrusion benötigt man eine bildsame oder plastische Arbeitsmasse mit einer Arbeitsfeuchte von ca. 15 bis 25 Prozent. Die eigentliche Formgebung erfolgt mittels Vakuumschneckenextruder oder Kolbenstrangpresse, indem die plastische Masse durch ein formgebendes Mundstück gedrückt wird.

Trockenpressen: Das Trockenpressen ist ein zweiseitig axiales Pressverfahren. Komplexe Formen sind nur auf der Unterseite ausführbar. Beim uniaxialen Trockenpressen wird entweder durch einseitige Bewegung eines Stempels oder zweiseitige Bewegung von Ober- und Unterstempel eine Pulver- oder Granulatschüttung verdichtet. Das Verfahren eignet sich ausgezeichnet für die Großserienproduktion. Einsetzbar sind nahezu alle keramischen Werkstoffe.

Keramischer Spritzguss für komplexe Bauteile

Dank des Spritzgussverfahrens (CIM = Ceramic Injection Moulding) erhalten Entwickler und Konstrukteure mehr Spielraum bei der Gestaltung von keramischen Bauteilen höchster Festigkeit, höchster Zähigkeit und bester Oberflächenqualität. Da die Prozesssicherheit des CIM sehr hoch ist, können auch hochwertige und damit hochpreisige Rohmaterialien uneingeschränkt verarbeitet werden. Die Kombination der sicheren Formgebungsmethodik mit der werkstoffbedingt hohen Festigkeit der Formteile, die entsprechend mechanisch belastbar sind, verschafft dem CIM einen deutlichen Vorteil gegenüber anderen Formgebungsmethoden. Zunächst wird beim CIM eine Arbeitsmasse, der sogenannte Feedstock, durch Zugabe ausgeklügelter organischer Bindersysteme hergestellt. Die einzelnen chemischen Komponenten dieses Bindersystems müssen gewährleisten, dass durch Erhitzen des Feedstocks in der Spritzgussmaschine das Material ausreichend fließfähig wird und so unter hohem Druck in eine oder Mehrfachkavitäten eingespritzt werden kann. Darüber hinaus muss der Rohling in der Form wieder erstarren und ausreichende Festigkeit für das weitere Handling außerhalb der Maschine aufweisen.

Die präzise Einstellung der Fließfähigkeit des keramischen Feedstocks über das Bindersystem ermöglicht eine hohe Prozesssicherheit bei der Formgebung. Es wird beim Füllen der Kavität immer dieselbe Menge Material eingespritzt, sodass eine gleich bleibende Verdichtung gewährleistet ist. Dies führt dazu, dass die Toleranzen auf ein Minimum eingegrenzt werden können. Unter Sintern ist die abschließende Temperaturbehandlung zu verstehen, bei der aus den Rohstoffen erst der eigentliche keramische Werkstoff entsteht. Dieser Prozess ist mit einem Schrumpfen des Bauteiles von bis zu 50 Volumenprozent verbunden. Auf diesem Weg lassen sich keramische Bauteile in einem hochautomatisierten Prozess extrem präzise fertigen.

Mikrospritzguss für Kleinstkomponenten

Sobald Bauteile besonders winzig und filigran sein müssen, wie in der Medizingerätetechnik, ist der Mikrospritzguss das geeignete Fertigungsverfahren, das bisher in der Technischen Keramik eher selten zur Anwendung kommt. Sembach bietet das Verfahren an, um Kleinstkomponenten mit einem Gewicht zwischen 0,01 und 0,5 Gramm, wie Spitzen für Endoskope für minimalinvasive Eingriffe oder Werkzeuge für Miniaturbauteile, zu fertigen. Mikrospritzguss unterscheidet sich zum klassischen Spritzguss durch eine sehr kleine Einspritzeinheit, die anstelle der normal großen Einheit in der Spritzgussmaschine integriert ist. Diese Einspritzeinheit basiert auf einer anderen Technik. Es handelt sich um eine Kolbenpresse mit Miniaturkolben, der sehr geringe Materialmengen befördern kann. Wichtig ist dabei die Überwachung des Prozesses, die bei Mikrospritzguss auf einer normalen Spritzgussmaschine nicht zu leisten wäre. Die Auflösung ist zu grob, um Einspritzdrücke, Spritzvolumen etc. zu messen. Mit der kleinen Einspritzeinheit ist es möglich, die minimalen Kolbenbewegungen wieder zu skalieren und damit diese Kleinstmengen zu messen und zu überwachen. So gewährleistet Sembach nach eigenen Angaben die Prozesssicherheit für die Mikroteile.

Ideen keramikgerecht umsetzen

Der Keramikspritzguss trägt dazu bei, dass Werkstoffe wie Metall und Kunststoff in Anwendungen substituiert werden können. Deshalb ist es sinnvoll, dass eine möglichst frühe Einbindung der Keramikhersteller in die Entwicklung der Bauteile erfolgt, um die Ideen der Konstrukteure keramikgerecht umzusetzen. So kann beispielsweise gezielt auf die spezifischen Eigenschaften des keramischen Materials und deren wirtschaftliche Auswirkungen im für das Bauteil passenden Produktionsprozess eingegangen werden.

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