Hochleistungskeramik Hochleistungskeramik – schlagzäh und biegefest von DOCERAM

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier / Karl-Ullrich Höltkemeier

Der Firmenverbund der MOESCHTER GROUP ist in drei Geschäftsbereiche unterteilt: DOTHERM – Industrial Insulations (Faserverbund-Werkstoffe zur elektrischen und thermischen Isolierung); DOCERAM – Advancened Ceramic Solutions (Hochleistungskeramik für den Maschinen- und Anlagenbau), und STS FRICTION (Brems- und Reibbelagtechnik). konstruktionspraxis war Vorort und sprach mit dem neuen Geschäftsführer der DOCERAM Dipl.- Wirt.- Ing. Stefan Veltum.

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Dipl.-Wirt.-Ing. Stefan Veltum, Geschäftsführer DOCERAM (Bilder: DOCERAM)
Dipl.-Wirt.-Ing. Stefan Veltum, Geschäftsführer DOCERAM (Bilder: DOCERAM)

Obwohl es kaum einen Zweig der Technik gibt, in dem Keramikprodukte nicht angewendet werden, führt das vielseitige Material eher eine Existenz im Verborgenen. Eingebaut in Maschinen und Anlagen übernehmen Bauteile der Sparte „Technische Keramik“ ihre Funktion oftmals in Schlüsselpositionen, zum Beispiel als Positionierstift, Führungselement, Prüfstecker, Umformrolle, Isolator, Messfühler, Dichtscheibe, Ventilstößel oder Fadenführer.

Bei allen Anwendungen ist eine gewisse Festigkeit naturgemäß immer gefordert, aber deshalb allein würde man Keramiken in der Konstruktion nicht einsetzen. Es seien stets zusätzliche Eigenschaften wie Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit, thermische und elektrische Isolierfähigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und geringe Dichte, die allein oder in Kombination den Einsatz sinnvoll machen.

Doceram: Weiterentwicklungen in der Hochleistungskeramik

Der Firmenverbund der MOESCHTER GROUP die einen Jahresumsatz von 30 Mio. Euro verzeichnet und über 300 Mitarbeiter beschäftigt ist in drei Geschäftsbereiche unterteilt: DOTHERM – Industrial Insulations (Faserverbund-Werkstoffe zur elektrischen und thermischen Isolierung); DOCERAM – Advanced Ceramic Solutions (Hochleistungskeramik für den Maschinen- und Anlagenbau), und STS FRICTION (Brems- und Reibbelagtechnik). Dabei unterteilt sich die DOCERAM, so Geschäftsführer Stefan Veltum in die DOCERAM Ingenieurkeramik, Dortmund, DOCERAM Engineered Ceramics, China und die DOCERAM Medical Ceramics, Dortmund.

DOCERAM, so Stefan Veltum, ist Hersteller ingenieurkeramischer Bauteile aus Oxid- und Nitridkeramik nach kundenspezifischer Anforderung. Dabei werden mit dem Kunden Lösungen im Bereich des Automobil-, Textilmaschinen-, Maschinen- sowie Anlagenbaus von der Klein- bis zur Großserie erarbeitet. Im Bereich der Schweißtechnik steht ein Normalienprogramm für Schweißzentrier-, Positionier- und Passstifte zur Verfügung.

Veltum weiter: „DOCERAM betreibt seit 12 Jahren die DOCERAM Engineered Ceramics Co., Ltd. in Yixing, China, unter deutschem Vor-Ort-Management zur Herstellung von Fadenführern für den Textilmaschinenbau. Seit neuester Zeit können neben kostengünstigen Großserien für die Textilindustrie auch Halbfertigteile für den Maschinenbau zur Weiterverabeitung in Dortmund hergestellt werden.“ (Mehr Infos nach dem Umblättern)

Hochleistungskeramik – schlagzäh und biegefest

Wie die Zeit vergeht! Gestern noch spröde Keramik, heute 2011 ist die Hochleistungskeramik der DOCERAM biegefest und schlagzäh. Hammerschläge, so Stefan Veltum, erstmals dargestellt auf der Hannover Messe 2009, steckt das Material DOCERAM CERAZUR® ohne Probleme weg. 40-fache Standzeiten sind da nur einer der vielen Indikatoren für deutliches Einsparpotential durch den Einsatz von Keramik. Deshalb haben sich Hochleistungskeramiken insbesondere in den Bereichen, in denen es auf Abriebfestigkeit in Verbindung mit Formstabilität und hohen Temperaturen ankommt, etabliert.

Das azurblaue CERAZUR® von DOCERAM weist eine ganz untypische Eigenschaft auf: Es ist extrem verschleißfest und bei vergleichsweise hohen mechanischen Beanspruchungen (wie. Z.B. vollkeramische Tellerfedern) einsetzbar, dabei jedoch nicht so spröde, wie man es von Keramik erwartet, sondern besonders biegefest und schlagzäh.

Das bedeutet: Auch bei Schlagbeanspruchungen ist CERAZUR die richtige Wahl. Hinzu kommen weitere Eigenschaften wie beispielsweise die sehr gute elektrische Isolierung, die bei vielen Anwendungen vorteilhaft ist – zum Beispiel in der Schweißtechnik, in der Prüftechnik und im Betriebsmittelbau. Hier werden Werkstückaufnahmen oder Anschläge für die Positionierung von Prüflingen aus CERAZUR oder aus dem DOCERAM-Werkstoff Z-101 gefertigt. Auf diese Weise kann der Anwender sicher gehen, dass es auch bei hoher mechanischer Beanspruchung keinen Abrieb an den Aufnahmen oder Anschlägen gibt.

Stefan Veltum: Wir sorgen für schnelle Lösungen in problematischen Anwendungen um die Stillstandzeiten zu reduzieren und die Fertigungssicherheit zu erhöhen, individuell auf den Kunden abgestimmt. In vielen Fällen wird auch das werkstoffübergreifende Portfolio der MOESCHTER GROUP genutzt. Spezialisten aus den Bereichen keramischer, und duroplastischer und metallischer Werkstoffe stimmen sich intern für das beste Werkstoffkonzept ab. Normalien begleiten diese Vorgehensweise wie z.B. die keramischen Passstifte.

Die DOCERAM bleibt, so Veltum, ihrem Motto „Keramik kann mehr“ auch in Zukunft treu. Das Unternehmen will auch 2011 wieder richtungsweisende Trends für Werkstofflösungen vorgeben. Gerade der Gedankenaustausch in der Unternehmensgruppe, fördert den gezielten Blick auf aktuelle und zukünftige Anwendungen. Nach den Entwicklungen der elastischen und schlagzähen Keramik kommt nun die leitfähige und antiadhäsive Keramik.

Keramik statt Stahl

In der automatisierten Schweißtechnik des Karosseriebaus sind Zentrier- und Positionierstifte hochbeanspruchte Komponenten. Deren Herstellung aus schlagzäher Keramik macht sich rasch bezahlt, wie Stefan Veltum, berichtet. So erreichen Keramikstifte problemlos eine 40-fach längere Standzeit im Vergleich zu konventionellen Hartmetallstiften.

In den automatisierten Schweißstraßen der Automobilindustrie übernehmen Zentrier- und Positionierstifte eine wichtige Aufgabe: Sie fixieren die zu schweißenden Bleche zueinander oder positionieren Gewindemuttern dort, wo sie vom Schweißroboter verschweisst werden. (Mehr Infos nach dem Umblättern)

Hartmetall für Zentrier- und Positionierstifte ungeeignet

Bei den hohen Taktraten der Schweißstraßen werden diese Stifte, die traditionell aus Hartmetall gefertigt werden, stark beansprucht. Durch das Handling der Bleche verformen sie sich teilweise erheblich. Zudem bleiben Schweißspritzer an den Metallstiften haften und führen dazu, dass die Stifte nicht mehr in die Positionierelemente der Bleche eingreifen.

Das Ergebnis: Größere Werke der Automobilhersteller und -zulieferer haben einen Jahresbedarf in sechsstelliger Höhe an diesen Stiften, die bei besonders harter Beanspruchung typische Lebenszyklen von nur acht bis zwanzig Betriebsstunden erreichen. Die metallischen Zentrier- und Positionierstifte lösen danach einen Anlagenstillstand aus.

Dabei sind die Ersatzkosten der Stifte bei den Total-lifecycle-cost-Betrachtungen gar nicht der größte Posten. „Noch größere Kosten verursacht der geplante und ungeplante Anlagenstillstand, den das Auswechseln der Stifte mit sich bringt“, erläutert Stefan Veltum.

Auch für andere Aufgaben im Karosseriebau

Häufigstes Anwendungsfeld der Positionierstifte aus CERAZUR ist das Widerstandsschweißen. Aber auch bei anderen Positionieraufgaben in der automatisierten Blechbearbeitung, z.B. beim Clinchen, Bördeln, Kleben sowie bei der Prüfung der Produkte bewähren sich Positionierelemente aus der unverwechselbaren blauen CERAZUR-Keramik.

Komplettiert wird das Programm der Schweißtechnik-Normalien ganz aktuell um ein Programm von Passstiften, mit denen z.B. Baugruppen von Vorrichtungen exakt positioniert oder Schweißbaugruppen formschlüssig in Position gehalten werden.

Hier kommt als Werkstoff DOCERAM Z-101 zum Einsatz: ebenfalls ein Zirkondioxid, das sich im Vergleich zu CERAZUR durch etwas geringere Biegefestigkeit, dafür aber höhere Härte auszeichnet. Erweitert wird nun das bereits etablierte Programm durch ziehbare Passstifte.

Bei Schweißzentrierstiften für das Buckelmutterschweißen nutzt DOCERAM neben Vollkeramik-Komponenten auch Verbundkonstruktionen mit einem Stahlkern. Nur die höchstbelasteten Flächen sind dann aus Keramik gefertigt; die Verbindung der Werkstoffe wird z.B. durch Schrumpfen oder durch Schraubverbindungen erzeugt.

Die erhebliche Standzeitverlängerung bringt dem Anwender derartige Vorteile, dass DOCERAM aufgrund der stark steigenden Nachfrage das Programm kontinuierlich erweitert – nicht nur um Passstifte, sondern zum Beispiel auch um wassergekühlte Schweißelektroden mit CERAZUR-Zentrierstiften und seit Sommer 2011 um komplette Schweißvorrichtungen. (Mehr Infos nach dem Umblättern)

Vollkeramische Tellerfeder mit Überlastschutz

Interessant sind auch einige Neuigkeiten, wie die vollkeramische Tellerfeder mit Überlastschutz. DOCERAM arbeitet daran, neben den keramischen Passstiften, Aufnahmestiften, Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben und Schraubenkopfisolierungen auch die vollkeramischen Tellerfedern als Standard aufzunehmen.

Keramik ist durch seinen E-Modul von 205 GPa in der Lage, starke Verformungen im elastischen Bereich aufzunehmen und wieder abzugeben. Erste vollkeramische Tellerfedern zeigen auch nach 600.000 Zyklen keinerlei Ermüdungserscheinungen. Einsatzbereiche liegen z.B. im Bereich der Hochtemperaturanwendungen, in denen Vorspannungen dauerhaft gewährleistet sein müssen, in korrosiv stark beanspruchten Anwendungen und sind ebenso denkbar als Federelement im nicht magnetisierbaren Bereichen.

Zur Sicherung des Arbeitsweges wurde bereits eine Type mit Wegbegrenzung und Überlastschutz entworfen. Mit dieser Type kann gewährleitstet werden, dass es zu keiner Schädigung in der Anwendung bei unsachgemäßer Handhabung kommt.

Komponenten aus Hochleistungskeramik für Medizinprodukte

Die DOCERAM Medical Ceramics, stellt medizintechnische Bauteile und Komponenten her, von Pumpenkolben über Rohlinge (sog. Blanks) für dentale CAD/CAM Prozesse bis zu Implantaten. Die bisher erarbeiteten Lösungen versetzten die Kunden in die Lage, die Qualität ihrer Produkte wesentlich zu steigern. Die lange Lebenszeit der verschleißarmen Bauteile senkt die Kosten und verschafft den Anwendern einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil.

Dazu erarbeiteten die Experten der DOCERAM, so der Geschäftsführer, unter Berücksichtigung der Anwendung und der Besonderheiten des Werkstoffes Keramik, eine optimale Lösung. Weisse, transluzente und farbige Blanks in bemerkenswerter Qualität, ab Lager, sind das Ergebnis!

DOCERAM Medical Ceramics steht für ein kompetentes Beratungs-, Konstruktions- und Produktions-Team, hochmoderne Fertigungsstätten, das prozessbegleitende Qualitäts-management und selbstverständlich die Zertifizierung nach EN ISO 13485:2003. Die Bauteile verfügen außerdem über Zulassungen für die USA, Kanada sowie China und Australien. (Mehr Infos nach dem Umblättern)

Anwendungsorientiert die richtigen Werkstoffe einsetzen

Besonders bei sehr anspruchsvollen Anwendungen, bei denen keine Metalle verwendet werden dürfen, ist Keramik die einzig sinnvolle Alternative. Hier kann DOCERAM anwendungsorientiert die optimalen Werkstoffe einsetzen. Dabei verfügt das Unternehmen über die gesamte Prozesskette bei der Herstellung von keramischen Bauteilen. So wird der Rohstoff für die einzelnen Produkte, wie Hochleistungskeramik im Maschinenbau, Dentalimplantate und CAD/CAM Rohlinge nach eigener Zusammensetzung hergestellt.

Durch die vollständige Charakterisierung der Rohstoffe bezüglich der Pulver als auch der Bauteilkennwerte können anwendungsspezifische Eigenschaften auch für die Langzeitanwendung im Gewebekontakt zugesichert werden.

Hochleistungsbearbeitungszentren mit 5-achs Bearbeitung und Ultraschallunterstützung ermöglichen nicht nur präziseste Bauteile sondern auch hochwertige Produkte zu wettbewerbsfähigen Preisen bei einer für die Industrie sehr kurzen Lieferzeit. Die Lieferzeit beträgt in der Regel 4-6 Wochen.

Auch die Simulation der Bauteile mit Finiter Elemente Methode (FEM) gehört zum Standard bei der Auslegung neuer Produkte. Als OEM Lieferant für international bekannte Hersteller von Medizinprodukten verfügt DOCERAM über die notwendige Kompetenz für die Abwicklung auch komplexester Projekte.

Stefan Veltum: „In der Medizintechnik wird unsere Keramik aufgrund ihrer ausgezeichneten Gewebeverträglichkeit, ihrer hohen mechanischen Beanspruchbarkeit, der Verschleißfestigkeit und der Korrosionsbeständigkeit für die passgenaue Herstellung von Implantaten für die Chirurgie, für Dentalimplantate, sowie für Komponenten Medizinprodukte und die Pharmakologie verwendet. Hier finden die keramischen Halbzeuge und Dentalkomponenten ihren Einsatz bei substanzschonenden, ästhetischen und biokompatiblen Restaurationen, bei vollkeramischen Implantatsystemen und hochpräzisen Werkzeugen.

Für den Maschinenbau ist der Einsatz von Hochleistungskeramik oft die letzte Möglichkeit die Standzeit und die Prozesssicherheit deutlich zu erhöhen! Einen Schritt weitergehen zu können als bisher für möglich gehalten, dass ist der Anspruch aber auch die Chance die in unseren Werkstoffen und in unserer täglichen Arbeit liegt!“

* Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier, Chefredaktion konstruktionspraxis

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