Sembach: Technische Keramik Komplexe Keramikbauteile spritzgiessen

Aus technischer Keramik lässt sich ein breites Spektrum einfacher und komplexer Bauteile mit der passenden Fertigungstechnologie wirtschaftlich herstellen. Oft kann Keramik Metalle und Kunststoffe nicht nur ersetzen, sondern auch deutliche Vorteile schaffen.

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Bauteile aus technischer Keramik lassen sich durch Spritzgiessen herstellen. So können auch komplexe Geometrien und kleinste Bauteile verwirklicht werden. Das hat vor allem bei grossen Serien Vorteile.

Herausragende Werkstoffeigenschaften

Technische Keramik ist dank ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften für zahlreiche Anwendungen geeignet, in denen Bauteile aus Metallen und Kunststoffen wegen einzelner oder mehrerer Kriterien bereits versagen. So findet man Bauteile aus technischer Keramik inzwischen in zahlreichen Branchen für ein grosses Spektrum an Bauteilen, unter anderem in der Medizintechnik, in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Zu den herausragenden Eigenschaften des Werkstoffs Keramik gehören beispielsweise die Temperaturbeständigkeit bis 1800 °C. Daraus gefertigte Bauteile sind sehr formstabil, auch unter Wärmeeinwirkung bis zu hohen Temperaturen. Keramik ist sehr gut beständig gegen mechanischen, thermischen und chemischen Verschleiss sowie gegen Oxidation (Korrosion). Zudem verfügt Keramik über eine hohe Festigkeit und Härte. Aluminiumoxid-Keramik ist beinahe so hart wie Diamant. Keramik ist elektrisch isolierend. Je nach Spezifikation des Werkstoffs kann sie thermisch isolieren oder sehr gut leiten. Bauteile aus Keramik sind beständig gegen Feuer und nicht brennbar. Sie altern selbst unter widrigen Bedingungen nicht. Speziell für den Einsatz in der Medizintechnik erweist sich als vorteilhaft, dass Keramik biokompatibel ist. Sie hat keinerlei Wechselwirkungen beim Einsatz im Körper, eignet sich also für Dauerimplantate. Um optimal von den Eigenschaften zu profitieren, können sich Konstrukteure von Spezialisten beraten lassen, beispielsweise beim Zulieferunternehmen Sembach in Lauf an der Pegnitz.

Wirtschaftlich fertigen

Der initiale Aufwand zum Herstellen von Bauteilen aus Keramik ist mitunter höher als bei anderen Werkstoffen, wie Metallen und Kunststoffen. Beim Produzieren in Serien gilt dies jedoch häufig nicht mehr. Bauteile aus Keramik erweisen sich beim Cost-of-Use, also über den gesamten Nutzungszeitraum, oft als wirtschaftlicher. Sie sind länger haltbar und benötigen keine Wartung. Zum Beispiel entfällt zusätzlicher Korrosionsschutz. Mit passenden Herstellverfahren lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile aus Keramik jeweils wirtschaftlich fertigen. Achssymmetrische Bauteile, wie Rohre, Stäbe oder Profile, lassen sich vorteilhaft extrudieren. Dazu nutzt man Keramik als plastische Arbeitsmasse mit 15 bis 25 Prozent Arbeitsfeuchte. Die Form erhalten die Bauteile in einem Vakuumschneckenextruder oder in einer Kolbenstrangpresse. Darin wird die plastische Keramikmasse durch ein formgebendes Mundstück gedrückt. Beim uniaxialen Trockenpressen wird durch eine ein- oder eine zweiseitige Bewegung eines Stempels oder zweier Stempel eine Pulver- oder Granulatschüttung verdichtet. Das Verfahren eignet sich ausgezeichnet für die Produktion in grossen Serien. Einsetzbar sind nahezu alle keramischen Werkstoffe. Bei diesem trockenen Pressen können auf einer Seite der Bauteile komplexe Formen verwirklicht werden.

Spritzgiessen für komplexe Bauteile

Benötigt man komplexere Geometrien und eine weitreichende Freiheit beim Gestalten von Bauteilen erweist sich das Spritzgiessen CIM (Ceramic Injection Moulding) als richtiges Fertigungsverfahren. Damit lassen sich Bauteile höchster Festigkeit und Zähigkeit sowie bester Oberflächenqualität herstellen. Da das Verfahren prozesssicher arbeitet, können auch hochwertige und kostenintensive Werkstoffe uneingeschränkt verarbeitet werden. Zunächst wird für das Verfahren eine Arbeitsmasse, der sogenannte Feedstock, durch Mischen der Keramik mit organischen Bindersystemen hergestellt. Die chemischen Komponenten des Bindersystems müssen gewährleisten, dass durch Erhitzen des Feedstocks in der Spritzgiessmaschine die Arbeitsmasse ausreichend fliessfähig wird. Nur so lässt sie sich unter hohem Druck in eine oder mehrere Kavitäten einspritzen. Zudem muss der Rohling in der Form möglichst rasch erstarren und ausreichend fest sein, um ihn herausnehmen und für die weitere Bearbeitung transportieren zu können. Ist das Bindersystem optimal eingestellt, arbeitet das Spritzgiessverfahren prozesssicher. Beim Füllen der Kavität wird eine stets gleiche Menge an Arbeitsmasse eingespritzt. Das gewährleistet eine über alle Bauteile gleiche Verdichtung. So verfügen die Bauteile über minimale Abweichungen. Sie können eng toleriert werden. So kann man keramische Bauteile hochgenau fertigen. Beim anschliessenden Sintern entsteht der eigentliche keramische Werkstoff und bildet das gewünschte Bauteil. Dabei schrumpft der Rohling um bis zu 50 Volumenprozent. Sämtliche Abläufe lassen sich automatisieren.

Mikrospritzgiessen

Für besonders kleine und filigrane Bauteile, zum Beispiel in der Medizintechnik, eignet sich das Mikrospritzgiessen. Bisher wird es in Verbindung mit technischer Keramik eher selten genutzt. Beim Lohnfertiger Sembach in Lauf stellen die Spezialisten damit zwischen 0,01 und 0,5 g leichte Bauteile her. Dazu gehören unter anderen Spitzen für Endoskope für minimalinvasive Eingriffe und Werkzeuge für Miniaturbauteile. Zum Mikrospritzgiessen befindet sich eine sehr kleine Einspritzeinheit in den Spritzgiessmaschinen. Sie ist als miniaturisierte Kolbenpresse ausgeführt. In Verbindung mit ausgeklügelter Steuerungs- und Messtechnik kann sie kleinste Mengen an Werkstoff hochgenau dosieren. Die Prozesse zu überwachen gewährleistet höchste Prozesssicherheit. - kmu - SMM

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