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Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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Keramik-SpritzgussBedingungen und Werkstoffeinsatz bei der Produktion keramischer Bauteile

Keramikbauteile bilden heute wichtige Bausteine einer zukunftsweisenden Industrieproduktion. Die besonderen Eigenschaften machen Anwendungen da möglich, wo dem Einsatz anderer Werkstoffe Grenzen gesetzt sind. Dabei gilt es, aus vielen denkbaren Möglichkeiten diejenigen zu wählen, die den durchaus aufwendigen Forschungs- und Entwicklungsrahmen bei der Produktion von Keramikteilen rechtfertigen. Im Hinblick auf ständig steigende Anforderungen bei Produkten mit hohem Leistungsprofil erobert die Keramik eine zurechtwachsende Marktstellung in der modernen Industriefertigung.

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Keramische Bauteile in Großserie

Techno-SCOPE: Bedingungen und Werkstoffeinsatz bei der Produktion keramischer Bauteile

Keramik ist kein Gegenspieler des Kunststoffspritzgusses, sondern eröffnet Chancen auf eine intelligente Erweiterung der Funktionspalette. MKS, der Kunststoff- und Keramikspritzgießbetrieb aus Lüdenscheid, hat sich zusammen mit der Firma Zassenhaus, Schwelm, (Haushaltsmühlen) die Aufgabe gesetzt, eine den hohen Kundenbedürfnissen gerechte Lösung zu erarbeiten, die alle Vorteile des Materials mit einer wirtschaftlichen Großserie verbindet. Die während der Entwicklung zu überwindenden Schwierigkeiten bei der hochsensiblen Handhabung der Werkstoffe bis zum fertigen Produktteil werden hier am Beispiel beschrieben, um die Besonderheit der produktspezifischen Entwicklung zu verdeutlichen.

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Bei MKS erfolgt die Formgebung von Keramikbauteilen (Oxidkeramik) über das Spritzgiessen. Dieser Prozess ist bis zum Rohteil, dem sogenannten Grünling, identisch mit dem Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffteilen. Die endgültigen Eigenschaften der Keramik werden im Anschluss daran über einen zweistufigen Ofenprozess erreicht. Zunächst wird im Entbinderofen der für das Spritzgießen erforderliche Kunststoffbinder thermisch entfernt (ausgegast). Dann folgt der Hochtemperaturprozess im Sinterofen bei Temperaturen beispielsweise für Aluminiumoxid von 1.670 °C. Die hier dargestellten Beispiele beziehen sich auf die Herstellung eines Mahlwerks für Salz- und Pfeffermühlen. Eigenschaften der Keramik, wie Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit (Salz) und Lebensmittelechtheit kommen hier zum Tragen und liefern damit einen qualitativen Nutzwert für den Endverbraucher. Daraus resultiert die fast völlige Verdrängung früher eingesetzter Stahlmahlwerke auf dem Markt durch die neue Technologie mit Keramikmahlwerken.

Eigenschaftsprofil der Keramik

Die Anforderungen an die in unserer Produktions- und Technikwelt eingesetzten Werkstoffe steigen ständig und unterliegen einem sehr dynamischen Prozess. Es werden Verbesserungen gefordert bei Haltbarkeit, Funktion, Qualität und Umweltverträglichkeit. Natürlich spielt auch das Preis-Leistungsverhältnis eine entscheidende Rolle. Die Keramik steht hier in Konkurrenz zu den Polymeren (Kunststoff) und Metallen. Sie weist allerdings ein Eigenschaftsprofil auf, das sie für einige Anwendungsgebiete prädestiniert bzw. sie dort sogar erforderlich macht.

Die Vorteile technischer Keramiken lassen sich wie folgt zusammenfassen (die Werte beziehen sich auf Aluminiumoxid Al2O3):

– hohe Härte (bis 20.000 Nmm-2, härter als Edelstahl)

– durch die hohe Härte entsprechende Verschleißfestigkeit

– hohe mechanische Festigkeit bei Druckbelastung

– sehr gute Korrosionsbeständigkeit (gegen chemische Einflüsse beständig)

– hohe Temperaturbeständigkeit (1400 bis 1500 °C)

– geringe Wärmeausdehnung (formstabil bis in hohe Temperaturbereiche)

– gute Temperaturwechselbeständigkeit

– im Vergleich zu Metallen niedriges spezifisches Gewicht (3,9 gcm-3)

– guter elektrischer Isolator (die meisten Keramiken)

Die Nachteile der Keramik-Werkstoffe sind:

– geringe mechanische Festigkeit bei Zug- oder Biegebelastung

– gegenüber Metallen deutlich geringere Bruchzähigkeit

– hohe Sprödigkeit

– Spannungsrisskorrosion, d.h. Versagen des Bauteils unterhalb der eigentlichen Belastungsgrenzen, ausgelöst durch Fehlstellen im Keramikgefüge

– engste Toleranzen oft nur durch aufwendige Nachbearbeitung zu erreichen

– meistens erheblich teurer als vergleichbare Teile in anderen Werkstoffen

Keramikgerechte Konstruktion

Die Aufzählung insbesondere der mechanischen Nachteile belegt, dass für eine erfolgreiche Umsetzung eine keramikgerechte Konstruktion unbedingt erforderlich ist, auch im Zusammenspiel mit Komponenten aus anderen Werkstoffen, um die negativen Eigenschaften der Keramik auszugleichen und ,,abzufedern".

Am Beispiel des Mahlwerks bedeutet dies:

– Einpressen des Mahlrings in eine Kunststoffaufnahme, dadurch Schutz der spröden Keramikteile gegen Schlagbeanspruchung (Falltest der kompletten Mühle)

– Flächige Kraftübertragung von der Edelstahlachse zum Keramikkegel durch einen Kunststoff-Mitnehmer. Direkte Krafteinleitung von der Achse in den Kegel würde die Keramik sprengen durch die punktförmige Zugbelastung.

Materialvarianten

Grossen Einfluss auf das jeweilige Produkt besitzt die Rohstoffauswahl. Im Bereich der Oxidkeramiken sind dies hauptsächlich Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. Zirkonoxid weist gegenüber Aluminiumoxid eine geringere Härte und Temperaturbeständigkeit aus, hat aber den Vorteil, dass durch ein besonderes keramisches Gefüge eine wesentlich geringere Sprödigkeit gegeben ist. Damit lassen sich mit diesem Werkstoff sogar Anwendungen realisieren wie Skalpelle, Messer oder Gehäuse für Armbanduhren. Allerdings ist Zirkonoxid erheblich teurer als das sehr gängige Aluminiumoxid. Deshalb werden oft entsprechende Mischungen von Aluminiumoxid und Zirkonoxid eingesetzt, um einerseits das Eigenschaftsprofil wie gewünscht einzustellen und andererseits die Rohstoffkosten einzugrenzen.

Formgebung und Compound-Toleranzen

Bei der Umsetzung eines Keramikbauteils kommen mehrere, teilweise schon lange bekannte, Formgebungsverfahren für die Grünlinge (Formteil aus Keramikpulver und Bindersystem) ins Spiel. Hier sind zu nennen: das Pressen (trocken, nass, isostatisch), das Extrudieren oder der Schlickerguss. Ein neueres Verfahren ist das Hochdruck-Spritzgießen, wie es bei MKS eingesetzt wird. Hierbei werden auch sehr komplexe Konturen darstellbar, womit die Keramik die Bandbreite der Einsatzgebiete deutlich erweitert.

Besondere Priorität hat dabei die Homogenität des Keramikcompounds, um einen nahezu fehlerfreien Produktionsprozess zu gewährleisten. Es besteht aus den Komponenten Keramikpulver (ca. 85 %), Kunststoffbinder auf PE-Basis (ca. 15 %) und verschiedenen Additiven, um das Eigenschaftsprofil wie Grünteilfestigkeit, Klebewirkung und Ablagerungen im Werkzeug möglichst optimal einzustellen. Das Pulver sollte absolut homogen sein in der Korngrößenverteilung und der Dotierung mit Spurenelementen wie Magnesiumoxid, um einen kontrollierten und gleichmäßigen Sinterprozess zu erreichen. Hohe Anforderungen werden auch an die Homogenität der gesamten Mischung gestellt, da hier schon geringe Abweichungen in der Verteilung zu Schwindungsunterschieden beim Sintern führen, und damit zu Fehlteilen außerhalb der Toleranz.

Vor- und Nachteile des Spritzgießen

Im Vergleich zu den anderen Verfahren zeigt das Spritzgießen die folgenden Vorteile:

– es sind sehr komplexe Geometrien möglich, wie Hinterschneidungen (z.B. die unter 30° schräg verlaufende Verzahnung in Mahlring und Mahlkegel), Querbohrungen, Gewindeentformung. Bis auf wenige Einschränkungen sind die gleichen Möglichkeiten gegeben wie beim Kunststoffspritzguss.

– sehr gute Oberflächenqualität (Füllen mit hohem Druck und Geschwindigkeit), dadurch in vielen Fällen kein Schleifen, Polieren erforderlich

– gute Konturschärfe, wie der Mahlring mit seiner auf ,,Null" auslaufenden Verzahnung zeigt

– automatisierte Fertigung, damit hohe Stückzahlen möglich werden

– bei guter Prozessführung und hoher Rohstoffqualität sind für Keramik enge Toleranzen ohne Nacharbeit zu erreichen (Durchmesser Mahlring 26,20+0,10/–0,20)

Selbstverständlich weist das Verfahren auch einige Nachteile auf. Diese sind:

– hohe Werkzeugkosten, bei hohen Stückzahlen ist eine Hartmetallausführung erforderlich

– hoher Werkzeugverschleiß durch die hohen Einspritzgeschwindigkeiten, selbst bei Hartmetalleinsätzen

– relativ teures Keramikcompound als Ausgangsmaterial, auf Grund der hohen Schwindung von 18 % linear muss ein entsprechend größeres Volumen für den Grünling gefüllt werden

– aufwendiger und sehr prozesskritischer Entbinderprozess, um den Kunststoffbinder aus dem Grünling zu entfernen.

– Dichtegradienten im Grünling durch Entmischung der in der Dichte sehr unterschiedlichen Komponenten Binder und Keramikpulver. Dies führt dann zu Verzug, Toleranzproblemen oder Ausfallteilen beim Sintern.

Aussichten

In Anbetracht der großen Chancen einer keramischen Produktion von Spritzgießteilen bildet sich ein zunehmend steigender Bedarf an High-Tech Produkten. Immer mehr Branchen aus der klassischen wie der new-economy entwickeln bereits rund um das Thema Keramik Lösungen, um mit dem Einsatz herausragender Produktprofile neuen Bedürfnissen gerecht zu werden und Ihre Märkte zu erweitern.

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