Material und Know-how

Bauteile aus technischer Keramik sind resistent gegen mechanische, chemische, thermische und elektrische Belastungen.

Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nichtmetallisch und sind per Definition mindestens zu 30 % kristallin.

Ein keramischer Werkstoff kennzeichnet sich durch den vorgeschalteten Prozess der Formgebung und der anschließenden Sinterung mit meist über 1.500°C, wobei erst durch die Sinterung das Material seine finalen Eigenschaften bekommt.

Generell kommen die ersten drei keramische Werkstoffe bei uns zum Einsatz:

Aluminiumoxid Al2O3

Al2O3 ist der am weitesten verbreitete und mittlerweile sehr gut erforschte keramische Werkstoff. Die Ursache dafür liegt in seiner breiten, weltweiten Verfügbarkeit, einfachen Prozesshandhabung und dem günstigen Preis. Aluminiumoxid ist extrem widerstandsfähig und kann dem Großteil der mechanischen und chemischen Anforderungen gerecht werden.
Besondere Schätzung erfährt Aluminiumoxid wegen seiner Hochtemperatureigenschaften und seiner Härte, die nur noch von wenigen Werkstoffen übertroffen wird (z.B. Diamant, SiC).
Eine weitere bekannte Erscheinungsform von Al2O3 sind Edelsteine Rubin und Saphir, deren Farben durch die geringen Einlagerungen von Chrom und Titan zustande kommen.

Eigenschaften:Anwendungen:
• sehr hohe Einsatztemperatur • Brennerdüsen
• sehr hohe Härte • Schneidwerkzeuge
• sehr beständig in Säuren und Laugen• Labortiegel
• bioinert • künstliche Hüftgelenke und Implantate
• elektrisch isolierend
• konstant hoher E-Modul

Zirkonoxid ZrO2

ZrO2 überzeugt durch seine Zähigkeit und stahlähnliche Eigenschaften (E-Modul, Wärmeausdehnungskoeffizient) gleichzeitig hat ZrO2 eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Seine gute tribologische Eigenschaft wird sowohl in der Technik (Gleitelemente) als auch in der Medizin (künstliche Hüftgelenkkugel) eingesetzt. Die finalen Eigenschaften erhält ZrO2 durch die variablen Zugaben von Dotierungen wie z.B. Y2O3 was im Vergleich zu den anderen Keramiken ein breiteres Einsatzgebiet mit sich bringt.

Eigenschaften:Anwendungen:
• E-Modul und Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich zu Stahl• Keramik-Metall Verbundwerkstoff
• hohe Biegefestigkeit• Zentrierstifte, keramische Feder
• hohe Zähigkeit
• niedrige Wärmeleitfähigkeit

Tricalciumphosphat (TCP)

TCP ist ein bioresobierbarer Werkstoff, welcher in der Medizin zum Aufbau der Knochensubstanz verwendet wird. Der Körper baut das TCP langsam ab und formt daraus eine Nährlösung, mit der an dieser Stelle der Knochen aufgebaut werden kann. Nach vollständiger Auflösung hinterlässt das TCP-Implantat einen natürlichen Knochen.

Damit das Gewebe TCP auflösen kann, um den Knochen aufzubauen, muss es in einer Struktur vorliegen, die der Knochenstruktur am nächsten kommt. Da die Struktur des Knochens eine hohe Interkonnektivität aufweist, ist die Herstellung mittels der generativen Fertigung die einzige relevante Herstellungsmethode.

ZTA/ATZ

Zirconia Toughened Alumina oder Alumina Toughened Zirconia ist eine Mischkeramik, dessen Gefüge aus einer Mischung aus Al2O3 und ZrO2 besteht. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der beiden Werkstoffe kombinieren. Auf diese Weise lässt sich z.B. die Härte von ZrO2 oder die Zähigkeit von Al2O3 erhöhen.

Eigenschaften:Anwendungen:
• hoher E-Modul• Wälzlager
• hohe Härte
• sehr hohe Zähigkeit

Siliziumnitrid Si3N4

Siliziumnitrid zeichnet sich durch seine sehr hohe Bruchzähigkeit bei gleichzeitig hoher Härte und hohem E-Modul aus. Das mach diesen Werkstoff perfekt für den Einsatz als Wälzlager bzw. dort, wo gleichzeitig Härte und Zähigkeit gefragt sind.

Eigenschaften:Anwendungen:
• hohe Härte• Fadenführer für die Textilindustrie
• hohe Zähigkeit • Zentrierstifte
• bioinert
• elektrisch isolierend
• ideal für Keramik-Metall Verbundwerkstoff
• hohe Biegefestigkeit
• niedrige Wärmeleitfähigkeit

Silikatkeramik

Silikatkeramik ist ein Sammelbegriff für Werkstoffe, deren SiO2 Masseanteil höher als 20% beträgt. Als Basisrohstoff dienen meistens natürlich vorkommende Tonminerale, was sich in dem günstigen Beschaffungspreis äußert.

In der Fülle der verschiedensten Werkstoffuntergruppen und Anwendungen sind für den Bereich der technischen Keramik die Werkstoffe Steatit, Cordierit und Porzellan von Bedeutung. Vordergründig sind die elektrisch-isolierende Eigenschaften, welche durch die genaue chemische Zusammensetzung eingestellt werden können.

Eigenschaften:Anwendungen:
• geringer dielektrischer Verlust• Dielektrikum
• hohe Durchschlagsfestigkeit• Hochspannungsisolator
• hohe Temperaturwechselbeständigkeit• Elektrowärmetechnik (z.B. im Bügeleisen) / Brennhilfsmittel

Know-how

Generative Fertigung
Mit dem hausinternen LCM-Verfahren lassen sich beinahe beliebige Geometrien realisieren, die mit keiner anderen Formgebung möglich wären. Außerdem entfallen beim LCM-Verfahren die Werkzeugkosten, was wiederum Losgröße von 1 möglich macht.

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Spritzguss
Zum Spritzgießen wird ein warmes Feedstock, bestehend aus ker. Pulver und Thermoplast, in eine kalte Form eingespritzt, wo eine Verfestigung erfolgt. Ker. Spritzguss ermöglicht eine kostengünstige Produktion großer Serien von Kleinteilen mit komplexer Geometrie. Kleine Serien sind wegen sehr hoher Werkzeugkosten für die Spritzform weniger geeignet.  

Extrudieren
Das Material wird mittels einer Schneckenpresse durch ein Mundstück zu einem endlosen Strang gepresst. Dabei kann die Geometrie sehr komplex sein, jedoch nur in zwei Raumrichtungen. Extrudieren ist eine sehr günstige Formgebungsmethode besonders für rotationssymmetrische Geometrien wie z.B. Rohre.

Trockenpressen - Uniaxial
Das Pulver oder Granulat wird in eine Matrize gefüllt und mit einem Pressstempel verpresst. Dadurch lassen sich kurze Taktzeiten der Maschine und sehr hohe Maßhaltigkeit realisieren. Für längere Presshübe kann sich jedoch eine Ungleichmäßigkeit in der Verdichtung ergeben. Somit eignet sich diese FG für flache Teile mit hohen Geometrieanforderungen.

Trockenpressen - Isostatisch
Das ker. Material wird in einer flexiblen Matrix im Druckbehälter gleichmäßig verdichtet. Anschließend erfolgt die spanende Bearbeitung im Grünzustand, welche ein hohes Maß an Flexibilität und Maßhaltigkeit bei der Geometrie gewährt. Mit Hilfe von IP werden bspw. Künstliche Hüftgelenkkugeln hergestellt.

Foliengießen
Manche Anwendungen erfordern einen ker. Werkstoff als eine sehr dünne Folie. Das ist bei Substraten, Kondensatoren, Piezoelementen und Sensoren der Fall. Foliengießtechnik bietet hierzu die Beste Lösung. Dabei wird eine Suspension bestehend aus ker. Partikeln und einem organischen Binder auf eine Trägerfolie mittels Abstreifen aufgebracht. Nach dem trocknen entsteht eine Folie mit lederähnlichen Eigenschaften, was Stanzen, Laminieren und Zuschneiden ermöglicht, um nach dem Brennen die gewünschte Geometrie zu erhalten.

 

Steinbach AG – Ihr professioneller Partner für technische Keramik in 3D-Druck

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