Formatec: Keramik für Konstrukteure
Entwicklungspartner für Sinterkeramik
Stahl ist einem verbreiteten Spruch zufolge die Muttersprache des Konstrukteurs. Während dieser sich bei Metallen und Polymeren auf sicherem Terrain bewegt, ist dies bei Keramiken seltener der Fall. Da letztere jedoch aufgrund ihrer hohen Härte, niedrigen Dichte sowie guten Temperaturbeständigkeit immer häufiger eingesetzt werden, kommt es bei vielen Entwicklungsprojekten zu notfallähnlichen Situationen. Ein Gespräch mit einem Keramik-Spezialisten, der schon so manchem Konstrukteur weiterhelfen konnte.
„Wir sind oft genug Anlaufstelle für Konstruktionsabteilungen aus allen möglichen Branchen, die bei ihren Entwicklungsprojekten wegen Problemen mit konventionellen Werkstoffen nicht mehr weiter wissen“, weiß Harrie Sneijers, Vertriebsleiter bei Formatec Ceramics in Goirle (Niederlande). Das Problem rühre daher, dass Sinterkeramiken völlig andere Eigenschaftsspektren aufweisen und einen gänzlich anderen Herstellprozess durchlaufen als Metalle. Für viele Konstrukteure, die an Metalle oder auch Kunststoffe gewöhnt sind, ist dies eine neue und unvertraute Welt.
Das beginnt schon damit, dass Keramiken sich nicht plastisch verformen, sondern unter falsch gewählten Einsatzbedingungen plötzlich spröde brechen können. Auch ist für den normalen Konstrukteur ungewohnt, dass beim Herstellprozess Maßänderungen von 20-30 Prozent zu berücksichtigen sind und dass sich größere Wanddicken bzw. Wanddickenänderungen nachteilig auf das Produkt auswirken können. Dieser Mangel an Erfahrung führt oft zu Rückschlägen beim Entwicklungsprozess.
Engineeringpartner für Industrie und Medizintechnik
„Die Folgen können dramatisch sein, wenn Zeit- und Kostenbudgets überschritten wurden und das Projekt dadurch in Schieflage gerät“, ergänzt H. Sneijers. Mit solchen Fällen haben er und seine Kollegen so häufig zu tun, dass man sich scherzhaft auch schon mal mit der Notaufnahme eines Krankenhauses vergleicht. Für die Entwicklung von Lösungen für unterschiedlichste Aufgabenstellungen sind sie gut gerüstet. Formatec verfügt über eine ganze Palette von Verfahren zur Herstellung von Sinterkeramik-Bauteilen wie Keramik-Spritzgießen (Ceramic Injection Moulding, CIM), 3D-Druck oder die mechanische Bearbeitung von Presslingen, und bietet hierzu eine Reihe von Werkstoffen wie Zirkonoxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliciumnitrid an.
Hinzu kommen Materialien mit speziellen Eigenschaften wie ESD (keine statische Aufladung) oder das Mischoxid ATZ (Al2O3 + ZrO2). Letzteres zeichnet sich durch besonders hohe Biegefestigkeit bei gleichzeitiger Biokompatibilität aus und kommt daher beispielsweise bei der Herstellung von Zahnimplantaten zum Einsatz. Bei der Entwicklung neuer Lösungen arbeitet man eng mit den Kunden zusammen. Als Maxime gilt hierbei, dass man an einem einmal akzeptierten Projekt wenn irgend möglich festhält, selbst wenn es im Verlauf der Entwicklung Probleme gibt.
Vorteile sinterkeramischer Bauteile
„Im Vergleich mit Metallen oder Kunststoffen zeichnen sich Keramiken vor allem durch geringe Dichte sowie hohe Temperaturbeständigkeit und Härte aus“, sagt H. Sneijers. Hinzu kommen Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten, zumeist gute thermische und elektrische Isolation sowie Unempfindlichkeit gegenüber den meisten Lösungsmitteln und Chemikalien. Die Temperaturbeständigkeit von Siliciumnitrid (Si3N4 + Zusätze) liegt bei 1.200 °C, während Al2O3-Keramiken und ATZ sogar 1.600 °C aushalten.
Dabei behalten sie ihre gute mechanische Festigkeit bis zu Temperaturen, bei denen sich die meisten Metalle bereits unter ihrem eigenen Gewicht verformen würden. Beeindruckend sind auch die heutigen Fortschritte beispielsweise bei der Steigerung der Biegefestigkeit: Während diese für Aluminiumoxid-Porzellan im Jahre 1950 bei lediglich 150 MPa lag, erreichen ATZ-Werkstoffe heute 2.000 MPa. Weiterer Vorteil praktisch aller keramischen Werkstoffe ist ihre sehr hohe Härte – von ca. 1.350 HV bei ZrO2 bis zu 2.000 HV bei Al2O3.
Durch Zusätze können fallweise spezielle Eigenschaften wie antistatisches Verhalten, elektrische Leitfähigkeit oder bunte Farben eingestellt werden. Formatec arbeitet zwar bevorzugt mit marktüblichen Standardzusammensetzungen, entwickelt aber bei Bedarf auch Sonderwerkstoffe bis hin zu exotischen Materialien z.B. für nuklearmedizinische Anwendungen.
Vielfältige Anwendungen: Maschinenbau, Lebenmittelverarbeitung…
„Unsere Einsatzgebiete sind heute extrem weitgefächert. Es gibt zwar kaum eine Maschine, die nur aus Keramik bestünde, aber dafür auch immer weniger Maschinen, die ganz ohne Keramikbauteile auskommen“, erläutert H. Sneijers. Begrenzend für die Teile ist lediglich die maximale Bauraumgröße, die je nach Verfahrensvariante von etwa 60 x 60 x 60 mm bis zu 96 x 54 x 120 mm reicht. Ansonsten ist die Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten kaum begrenzt.
Eine wichtige Rolle spielen Keramiken u.a. bei Anwendungen, wo es auf Verschleißbeständigkeit ankommt, so z.B. bei Fadenführungen oder Spinndüsen von Textilmaschinen. Weitere Einsatzbereiche sind Zahnräder oder Schnecken für kleinformatige Präzisionsgetriebe oder Leitapparate und Laufräder für Pumpen und Turbinen. Keramik für Trägerkörper von Druckköpfen für Tintenstrahldrucker ermöglichte erhebliche Fortschritte. Früher musste beim Verkleben der Köpfe mit dem metallischen Bauteil wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten ein dauerelastischer Kleber verwendet werden, der mit manchen Tinten nicht kompatibel war. Durch Umstellung auf Keramik konnte ein geeigneterer Kleber verwendet werden, der die Verwendung von Tinten mit Lösungsmitteln ermöglicht und damit das verwendbare Spektrum enorm vergrößert.
…Medizintechnik…
„Die Medizintechnik ist ein sehr wichtiges Anwendungsgebiet für Sinterkeramiken-Komponenten“, berichtet H. Sneijers. Grund hierfür ist die hervorragende Biokompatibilität der hierfür eingesetzten Keramikwerkstoffe. Deshalb geben Mediziner Sinterkeramik oft den Vorzug vor Metallen, vor allem bei Implantaten, die dauerhaft im Körper verbleiben sollen. Beispiele hierfür sind Gelenkprothesen wie Hüftpfannen oder Kniegelenke. Durch den Einsatz von Keramik statt Metall wird hierbei das Risiko unerwünschter Reaktionen – die bis hin zu Allergien reichen können – verringert.
Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet sind Zahnimplantate. Bisher wurden Kieferimplantate aus ATZ häufig aus gepressten Rohlingen gefräst. Das CIM-Spritzgießen ermöglicht im Vergleich Kostensenkungen bis hin zum Faktor 4. Zudem erhält die Außenkontur der Einsätze dank der Möglichkeiten des Spritzgießverfahrens eine spezielle Feinstruktur, welche das schnelle und sichere Einwachsen in den Knochen besonders fördert.
…sowie Uhren und hochwertige Accessoires
„Zu den großen Treibern des Einsatzes von Sinterkeramik gehört auch die Uhrenindustrie“, verrät H. Sneijers. Hier spielen die Härte und die damit verbundene Kratzfestigkeit und Dauerhaftigkeit dieser Werkstoffe eine wesentliche Rolle. Deshalb werden daraus beispielsweise Gehäuse von hochwertigen Uhren gemacht.
Inzwischen gibt es sogar Ansätze, bei Schalen für Mobiltelefone ein dünnes und leichtes Verbundmaterial mit einer Außenhaut aus extrem kratzfester ZrO2-Keramik einzusetzen. Keramikteile kommen auch bei Armbändern, in den Uhrwerken selbst sowie als Gehäuse für Füller der gehobenen Preisklasse zum Einsatz. Ein weiteres Einsatzgebiet sind z.B. Gürtelschnallen sowie andere Modeaccessoires.
