Die Herstellung von Komponenten aus technischer Keramik gliedert sich in mehrere Schritte

1 Gewinnung der Ausgangsstoffe

Die Ausgangsstoffe verschiedenster Metalle und Halbmetalle müssen zunächst chemisch gewonnen werden, für Aluminiumoxid beispielsweise aus dem Erz Bauxit. Durch das Bayer Verfahren wird aus Bauxit mit Kalk und Natronlauge eine Lösung mit Aluminiumhydroxid (Aluminatlösung) gelöst und durch Filtration, Ausfällen und Brennen (Kalzinieren) zu reinem Aluminiumoxidpulver Al2O3 verarbeitet. Der Bauxit-Aufwand entspricht in etwa der siebenfachen Masse der herzustellenden Aluminiumoxid-Pulvermasse.

2 Pulverherstellung

Durch Mahlen werden die Rohstoffe dann in verschiedene Körnungen unterschiedlicher Reinheitsgrade gebracht und nach Güteklassen kategorisiert. Die Körnungsgrösse liegt dabei typischerweise zwischen 0.1 und zehn Mikrometer. Es sind aber für Spezialanwendungen auch Pulver unter und oberhalb dieser Grenzwerte herstellbar. Der Ausgangsstoff für das Pressen besitzt nun eine dem Mehl ähnliche Konsistenz und lässt sich dadurch schlecht dosieren und verbinden. Damit die Werkzeugformen aber präzise und ohne grossen Aufwand homogen befüllt werden können, wird das Pulver unter Zusatz von circa drei Prozent organischen Bindemitteln zu einer Suspension angerührt und durch Zerstäubung sogleich wieder getrocknet. Die dadurch entstehenden Kügelchen mit einem Durchmesser von rund 100 Mikrometer weisen nun sehr gute Rieseleigenschaften auf..

3 Pressen des Pulver

Beim Pressen des Keramikpulvers gibt es grundsätzlich vier Methoden: Das uniaxiale Pressen, das isostatische Pressen, das Spritzgiessen und das Strangpressen.

Uniaxiales Pressen
Für die Herstellung kleinerer Bauteile in grösserer Menge ist das uniaxiale Pressen geeignet. Bei dieser Formgebung wird das Pulver trocken in eine Pressform gegeben und mit zwei Stempeln von oben und unten unter hohem Druck gepresst.

Isostatisches Pressen
Kaltisostatisches Pressen ist für einfache Formen und/oder grössere Geometrien geeignet. Dabei wird das Pulver in eine Gummiform gegeben, dicht verschlossen und anschliessend in einer Flüssigkeit von allen Seiten unter einen Druck von bis zu 4000 bar gesetzt. Da der hohe Druck von allen Seiten gleich erfolgt, wird die beste Materialqualität erreicht.

Strangpressen
Das Strangpressen wird bei einfacheren, meist symmetrischen Bauteilen angewendet. Für diesen Prozess wird als Ausgangsmaterial nicht das lose Granulat, sondern eine zähflüssige Masse benötigt. Dazu wird das Granulat mit circa 30 Prozent thermoplastischen Kunststoffen oder organischen Polymeren vermischt und geknetet. Anschliessend wird die Masse mittels Schnecken- oder Kolbenstangenpresse unter hohem Druck durch eine Formmatrize gepresst. Das Strangpressen eignet sich speziell für rotationssymmetrische Bauteile.

Spritzgiessen (CIM = Ceramic Injection Molding)
Das Spritzgiessen von Keramik wird vorwiegend bei komplizierten Bauteilen in grossen Mengen angewendet. Da auch beim Spritzgiessen eine zähflüssige Masse benötigt wird, ist die Aufbereitung des Ausgangsmaterials grundsätzlich dieselbe wie beim Strangpressen. Anschliessend wird die Masse unter hohem Druck in das Spritzgusswerkzeug gepresst.

4 Grünbearbeitung

Nach dem ersten Formgebungsverfahren spricht man vom Grünling. In diesem Stadium können die Bauteile noch mittels konventioneller Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Fräsen und Bohren weiterbearbeitet werden. Die Teile sind noch weich und brüchig.

5 Entbindern

Bevor die Bauteile gesintert werden können, muss der Binder (thermoplastische Kunststoffe oder organische Polymere) entzogen werden. Dies erfolgt mittels chemisch- und oder thermi-schem Prozess. Nach diesem Arbeitsschritt ist das Bauteil sehr brüchig.

6 Sintern

Das Sintern beschreibt den eigentlichen Brandvorgang, wobei das Material zum Hartstoff wird. Bei diesem Prozessschritt ist der Zeit-Temperatur-Verlauf entscheidend und je nach Keramik wird bei Temperaturen über 2000 Grad Celsius gebrannt. Beim Sintervorgang schwindet das Volumen des Keramikbauteils je nach Werkstoff und Brandvorgang um bis zu 50 Prozent. Dies macht es sehr schwierig genaue Dimensionen einzuhalten.

Hot Isostatic Pressing (HIP)
Beim Sintern können die meisten im Bauteil vorhandenen Poren geschlossen werden. Um jedoch die Dichte und somit die Materialqualität weiter zu erhöhen, kann mittels Argongas ein Überdruck angelegt werden und bei erhöhter Temperatur der Verdichtungsvorgang fortgeführt werden. Dieser Prozess wird als Hot Isostatic Pressing bezeichnet.

7 Hartbearbeitung

Für gewisse Anwendungen können die durch den Sintervorgang erzielbaren Toleranzen bezüglich Form, Lage und Oberflächenbeschaffenheit nicht genügen. In diesem Fall wird eine Hartbearbeitung des fertig gebrannten Keramikbauteils notwendig. Technische Keramik kann nur durch diamantbestückte Schleifwerkzeuge bearbeitet werden. Dieser Bearbeitungsschritt erfordert viel Know-how und ist zeitintensiv. Die Hartbearbeitung basiert auf Erfahrung und speziell entwickelten Bearbeitungsverfahren – die wichtigsten sind das Schleifen (zum Beispiel Rund-, Flach-, Profilschleifen), Läppen, Honen und Polieren. Die erzielbaren Toleranzen liegen im Mikrometer-Bereich und die Oberflächengüte bei einem Ra-Wert von 0.025 (N1).

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