Einführung in die techn. Keramik

Wissenschaft und Technik stehen in einem kontinuierlichen Entwicklungsprozess. Dabei führt der Weg zu immer anspruchsvolleren, intelligenteren Technologien.

Mit derselben Dynamik steigen auch die Ansprüche, die an moderne Werkstoffe gestellt werden. Gefordert werden unter anderem höhere Festigkeiten für Material sparende Konstruktionen, leichtere Bauteile zur Energieeinsparung, höhere Qualität für mehr Sicherheit sowie längere Lebensdauer. Schließlich spielt die Wirtschaftlichkeit eine ganz entscheidende Rolle.

Keramische Werkstoffe haben zu diesem Innovationsprozess bisher einen wichtigen Beitrag geleistet.

Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz von Keramik sind werkstoffgerechte Konstruktion und Fertigung sowie keramikgerechte Anwendung. Es geht heute nicht um die Verdrängung von herkömmlichen Werkstoffen, vielmehr ermöglichen „maßgeschneiderte“ Produkte völlig neue Problemlösungen.

Der Weg zum keramischen Bauteil

Um die Eigenschaften von Keramik sinnvoll und effektiv nutzen zu können, reicht es nicht, ein vorhandenes Bauelement aus herkömmlichem Werkstoff detailgetreu in Keramik umzusetzen. Die Zeichnung des bislang genutzten Bauteils kann aber mit etlichen zusätzlichen Informationen den Weg zum keramischen Serienbauteil zeigen.

Dabei müssen die thermischen, elektrischen, mechanischen und chemischen Belastungen berücksichtigt werden. Aufgrund der jeweiligen Schlüsselbelastungen lassen sich ein oder mehrere Werkstoffe aus der Menge der Keramiken herausfiltern. Hierbei sind die Werkstofftabellen und Werkstoffbeschreibungen in den folgenden Kapiteln hilfreich.

Der neue keramische Werkstoff muss den Analysen der technischen Problemstellung genügen, darüber hinaus ein angemessenes Preis-Leistungs-Verhältnis über seine gesamte Lebenszeit und ggf. einen Zusatznutzen bieten.

Danach wird die Zeichnung auf Umsetzbarkeit geprüft und für die Herstellung optimiert.
Die geforderten Toleranzen sind oft metalltypisch, d. h. für alle Flächen relativ eng. Um die Kosten zu optimieren, ist eine Unterscheidung zwischen keramischtypischen, allgemeinen Toleranzen und speziellen Toleranzen für Funktionsflächen notwendig.
In einigen Fällen sind auch die Funktionsprinzipien und damit die Neukonstruktion der Baugruppe zu diskutieren.
Bei dem eben beschriebenen Prozess wird der Anwender vom Keramikhersteller begleitet.

Nach der technischen Klärung kann der Keramikhersteller unter Berücksichtigung der Stückzahl das optimale Fertigungsverfahren auswählen und ein Angebot unterbreiten.

Keramik heute
Keramik hat sich bis heute in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt bzw. wird für neue in Betracht gezogen, bei denen hohe Härte, große Verschleißbeständigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Hochtemperaturstabilität – verbunden mit niedrigem spezifischen Gewicht – benötigt werden. Die neuen HighTech-Werkstoffe erreichen hohe Festigkeiten. Ihre Werte sind vergleichbar mit den Werten von Metallen und übertreffen in der Regel alle Polymere.
Die Eigenschaften der keramischen Werkstoffe werden maßgeblich durch das jeweilige Gefüge – beziehungsweise die Mikrostruktur – bestimmt. Durch die gezielte Einstellung von bestimmten Mikrostrukturen, das so genannte Gefügedesign, können die mechanischen und physikalischen Kennwerte in unterschiedliche Richtungen hin beeinflusst werden.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist bei der Anwendung von Keramik immer zu berücksichtigen: „Keramik ist spröde“! Metallische Konstruktionswerkstoffe sind auf Grund ihrer Duktilität „ausgewogene und gutmütige“ Werkstoffe, die auch einmal leichtere konstruktive Fehler verzeihen (Fehlertoleranz), da sie in der Lage sind, lokale Spannungsspitzen durch elastische und plastische Verformung abzubauen.

Darüber hinaus zeichnen sich die Metalle in der Regel durch eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie durch Kennwerte aus, die unabhängig von der Raumrichtung sind.

Keramische Werkstoffe hingegen sind in der Regel elektrisch und thermisch isolierend, haben eine hohe Härte und können eine sehr niedrige Wärmedehnung besitzen. Durch das Fehlen der plastischen Verformbarkeit sind sie außerdem außerordentlich formstabil. Es werden Druckfestigkeiten erreicht, die das zehnfache der Biege- und Zugfestigkeit betragen können. Gegenüber Metallen ist die Keramik besonders für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet, da die Kennwerte der keramischen Werkstoffe durch Temperaturbelastungen weitaus weniger und erst bei höheren Gradzahlen beeinflusst werden als die der Metalle. Ähnlich positiv verhält sich Keramik in Bezug auf Korrosion und Verschleiß.

Wegen dieser Vorteile begegnet uns Technische Keramik auf Schritt und Tritt. 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 im Maschinen- und Anlagenbau sorgen Gleit- und Regelelemente für verschleiß- und korrosionsfreie Funktion. Bei Industrieöfen in der Hochtemperaturtechnik ist Keramik als Konstruktions- und Isolationswerkstoff unverzichtbar! Schon diese wenigen Beispiele zeigen deutlich, dass Technische Keramik in unserer Welt eine wichtige Rolle spielt.
Allerdings sind keramische Bauteile in der Regel nicht auf den ersten Blick sichtbar. Sie spielen dennoch in konventionellen Anwendungen und auch bei innovativen Produkten eine entscheidende Rolle.

Das Potenzial der Technischen Keramik ist noch nicht ausgeschöpft.