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Keramik

Verschleiß gegen Null mit Komponenten aus Technischer Keramik

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Robuste Auffädelnadel aus Keramik für die 100-%-Prüfung

Die Anforderungen an die Prüftechnik zur Qualitätskontrolle von Bauteilen sind sehr hoch. Mit einer der optoelek-tronischen Prüfanlagen für keramische Bauteile setzt Sembach eine 100-%-Prüfung um. Die Prüfmerkmale sind attributiv auf die Bauteileigenschaften sowie auf die Maße und Konturen bezogen. Desweiteren erfolgt eine kamerabasierte Durchgangsprüfung für den Vierkantdurchbruch der Bauteile. Diese bestehen aus einem Keramikstift, der das Element komplett durchzieht, und ist rotationssymmetrisch mit einem Steg auf dem oberen Schaft angelegt. Die Herausforderung bei der technischen Umsetzung der Anlage war, dass die Keramikelemente für die Kamera-prüfung so platziert werden sollten, dass der Steg immer an der gleichen Stelle zu sehen ist. „Die Idee, das Bauteil durch das Vierkantloch mit einer Auffädelnadel aufzunehmen, damit die Lageorientierung des Bauteils für die Kameraprüfung gegeben ist, kam von Kubat“, so Dörner. Zunächst wurde die Auffädelvorrichtung in Form eines Schwertes aus Stahl hergestellt. „Beim Stahl haben wir den Abrieb unterschätzt“, erläutert Anton Kubat, Geschäftsführer von Kubat Mechanik. „Keramik ist ein abrasiver Werkstoff. Bei der Aufnahme mit der Stahlnadel sind – wenn auch fast unsichtbar – immer wieder metallische Rückstande haften geblieben.“ Um die metallischen Rückstände zu vermeiden, wurde die Nadel im zweiten Schritt mit Diamant beschichtet. Doch auch bei diesem widerstandsfähigen Werkstoff kam es zu Abrieb vom Diamantträger. Weitaus abriebfester wurde die Auffädelvorrichtung durch die Fertigung aus Karbon und schließlich aus glasfaserbeschichtetem Kunststoff (EFK). „Die Lösung mit Kunststoff war optimal hinsichtlich des Abriebs. Doch der Verschleiß war noch hoch“, erläutert Christian Dörner von Sembach.

Insgesamt vier Auffädelnadeln sind in der Anlage enthalten und prüfen jeweils ein keramisches Bauteil pro 1,5 Sekunden. Nach drei Schichten an einem Tag musste die 20-Euro-teure Nadel aus Kunststoff ausgetauscht werden. Dazu Christian Dörner: „Sowohl hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich der Wartungsfrequenz suchten wir nach einer anderen Lösung.“ Durch die Herstellung der Nadel aus weißem teilstabilisiertem Zirkonoxid (Y-TZP) konnte der Austausch der Schwerter aufgrund von Verschleiß deutlich reduziert werden. Die besonders harte Keramik Zirkoniumoxid ist der bevorzugte Werkstoff, wenn es auf Abriebfestigkeit und hohe mechanische Anforderungen ankommt. Der Werkstoff verfügt über einen sehr hohen kritischen Spannungsintensitätsfaktor (K1c) und setzt der sogenannten Rissfortpflanzung einen hohen Widerstand entgegen.

„Die Auffädelnadeln sind jetzt seit einem halben Jahr in der Anlage eingebaut. Bisher mussten wir sie ein einziges Mal auswechseln“, beschreibt Dörner. Insgesamt konnten die Bauteilkosten durch den Einsatz von Zirkonoxid auf ein Fünftel gesenkt werden. Ein Kostenvorteil ergibt sich auch hinsichtlich der deutlich geringeren Stillstandszeiten der Anlage. Der Werkstoff Zirkonoxid hat außerdem den Vorteil, dass er eine gewisse Biegung verträgt und beim Anfassen nicht sofort zerbricht. Er verfügt über einen sehr guten Elastizitätsmodul. Diese Werkstoffeigenschaft ist entscheidend, denn bei der Aufnahme der Bauteile muss sich die Nadel leicht bogenartig verformen können und darf nicht sofort brechen. Die Biegefestigkeit von Zirkoniumoxid liegt bei 1000 MPa. Im Vergleich dazu: Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon (PEEK) hat eine Biegefestigkeit von maximal 170 MPa und handelsüblicher Baustahl (S235JR) von 180 MPa.

Bei der zweiten optoelektronischen Prüfanlage für Keramikteile stand die Optimierung der sogenannten Aufnahme-Nester im Fokus. Auch in dieser Anlage spielt die hohe Abrasivität der Keramik bedingt durch ihre extrem hohe Festigkeit eine Rolle.

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