Keramik Konstruieren mit Keramik

Autor / Redakteur: Tobias Lange* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Ingenieurkeramik setzt sich zunehmend als Werkstoff für hoch beanspruchte Bauteile durch. Neue Anwendungen entstehen in der Handhabungstechnik und Sensorik.

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Auf der diesjährigen Motek zeigte Doceram Handhabungstechnik-Komponenten, deren Greiferbacken aus Hochleistungskeramik bestehen.
Auf der diesjährigen Motek zeigte Doceram Handhabungstechnik-Komponenten, deren Greiferbacken aus Hochleistungskeramik bestehen.
(Bild: Doceram)

Verschleißfest, elektrisch isolierend, spröde und teuer: Das sind Eigenschaften, die der Konstrukteur höchstwahrscheinlich mit Keramikwerkstoffen assoziiert. Die ersten beiden Punkte sind richtig, der dritte nicht und der vierte nur bedingt.

Aufgrund der elektrischen Isolierfähigkeit ist Keramik schon seit Langem der Werkstoff der Wahl für den Elektromaschinenbau. Es folgten Komponenten wie Fadenführer und Düsen von Textilmaschinen, deren Konstrukteure die extreme Abriebfestigkeit der Keramik schätzen.

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Vielfalt der Keramikwerkstoffe

Das der Einsatzbereich von Keramik im Maschinenbau heute deutlich größer ist, hat mit Weiterentwicklungen der Werkstofftechnik zu tun. Zunächst ist Keramik ein Oberbegriff für verschiedene Werkstoffe wie Siliziumnitrid, Zirkonoxid und Alumi-niumoxid, deren Eigenschaftsprofil sich durch Modifikationen gezielt verändern lässt.

Ein gutes, wenn nicht das beste Beispiel aus der Ingenieurskeramik ist das von Doceram entwickelte Cerazur. Dieser azurblaue Keramikwerkstoff auf Zirkonoxid-Basis ist – ganz untypisch für Keramik – ausgesprochen schlagzäh. Selbst eine Bearbeitung mit dem Hammer hinterlässt im wahrsten Sinne des Wortes keine Spuren an einem Cerazur-Bauteil. Das heißt: Sprödigkeit ist keine Muss-Eigenschaft von Ingenieurskeramik.

Schlagzähe Keramik: Zielmarkt Metallbearbeitung und Fügen

Damit ist Cerazur der optimale Werkstoff für die zahlreichen Positions- und Zentrierstifte im Pkw-Karosseriebau und anderen automatisierten Verfahren der Metallbearbeitung. Die Karosseriebauteile werden hier in sehr kurzer Zeit per Roboter aufgelegt und fixiert. Dabei kommt es zu starker mechanischer Beanspruchung, die selbst bei Verwendung von Hartmetall innerhalb von Tagen zu starken Verformungen führen kann. Mit Zentrierstiften aus Cerazur kann die Lebensdauer erfahrungsgemäß um Faktoren von 20 bis 40 erhöht werden. Entsprechend verringert sich auch der Serviceaufwand für die Anlage.

Dabei kommt eine weitere Eigenschaft von Cerazur zum Tragen, die gerade beim Einsatz in automatisierten Schweißstraßen extrem vorteilhaft ist: An der blauen Keramik haften keine Schweißperlen und –spritzer an. Das trägt ebenfalls zur Formstabilität der Positions- und Zentrierstifte bei. Zudem verhindert das elektrisch nicht leitfähige Material Nebenschlüsse. Das erhöht die Prozesssicherheit.

Ideal: Der Werkstoffverbund

Doceram bietet neben den keramischen Positionier- und Zentrierstiften auch Gasdüsen für das MIG/MAG-Schweißen und komplette Schweißelektroden an. An den Elektroden lässt sich ein Grundsatz des Konstruieren mit Keramik hervorragend demonstrieren: Keramik kommt nur dort zum Einsatz, wo ihr Eigen-schaftsprofil wirklich benötigt wird, d.h. bei dem hoch beanspruchten gefederten Stift. Die übrigen Komponenten werden aus Metall gefertigt. Für diese und andere Verbundkonstruktionen stehen stabile Verbindungsverfahren wie z.B. Aufschrumpfen zur Verfügung.

Von der Feuchtesensorik bis zur Handhabungseinheit

In anderen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus sind zusätzliche Eigenschaften der Keramik gefragt. So verwenden mehrere Hersteller von Feuchtesensoren Keramik-Abdeckscheiben, auf deren Rückseite der Sensor direkt montiert wird. Die Keramik ist chemisch inert und damit lebensmittelecht, und aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit kann der Sensor auch die Feuchte von abrasiven Medien wie Sand, Kalk, Schokolade und Waschpulver bei hoher Fördergeschwindigkeit messen.

Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet ist die Handhabungstechnik: Auf der Motek wird Doceram unter anderem Greiferbacken und Greiferfinger vorstellen, deren Kontaktflächen aus Hochleistungskeramik bestehen und die für das Handling von unterschiedlichen, auch empfindlichen Bauteilen entwickelt wurden

Zwei Grundsätze der keramikgerechten Konstruktion

Abschließend noch ein Wort zum letzten eingangs genannten Punkt: Ist Keramik teuer? Die klare Antwort: Nicht, wenn es sich um eine keramikgerechte Konstruktion handelt. Hier sind zwei Grundsätze entscheidend. Der erste wurde bereits erwähnt: Keramik sollte nur dort eingesetzt werden, wo man ihre Eigenschaf-ten benötigt. Häufig ist eine Verbundkonstruktion die beste Wahl. Grundsatz Zwei: Da die Bearbeitung von Keramik eben aufgrund ihrer extremen Verschleißfestigkeit aufwändig ist, sollte man sich intensiv z.B. mit den Toleranzen beschäftigen. Das heißt: Wer die Zeichnung eines metallischen Bauteils als Keramikteil anfragt, wird mit den Kosten eventuell nicht zufrieden sein. Besser ist es, sich zu fragen: „Wie lässt sich die Aufgabe, die das Bauteil erfüllen soll, am besten mit Keramik lösen?“ Ergebnis wird ein extrem verschleißfestes Funktionsbauteil sein, dessen Stückpreis vielleicht etwas höher ist. Aber es bietet häufig Zusatzfunktionen und verursacht deutlich weniger Service- und Austauschkosten. Deshalb sind Keramikkomponenten in den hier dargestellten und anderen Anwendungen nicht nur eine technisch überzeugende, sondern auch überaus wirtschaftliche Lösung. (qui)

* Tobias Lange Prokurist, Doceram GmbH, Dortmund

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