Keramische Bauteile in höchster Präzision

Keramische Werkstoffe übernehmen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften in den meisten technischen Prozessen heute wichtige Funktionen. Neben den klassischen Feldern der Hochtemperaturanwendungen werden sie zunehmend im Maschinenbau eingesetzt. Dabei haben sie zum Teil andere Werkstoffe verdrängt, aber in weit größerem Maße neue Technologien und Anwendungen erst ermöglicht, was nicht zuletzt auch auf den gesteigerten Bekanntheitsgrad zurückzuführen ist. Keramische Bauteile werden pulvertechnologisch hergestellt, daraus ergeben sich einige Besonderheiten, die bereits bei der Konstruktion und Bauteilauslegung zu beachten sind.

Schwindung ist reproduzierbar und beherrschbar

Bild 1: 5-Achs-Bearbeitung

Der auf die Formgebung folgende Sinterprozess ist mit einer Schwindung deutlich über 10% verbunden. Diese Schwindung ist - bei Beachtung der Anforderung an die Bauteilauslegung, bei Einsatz hochwertiger Rohstoffe und exakter Prozesskontrolle - reproduzierbar und beherrschbar. Für Werkstücke aus keramischen Werkstoffen gelten die Allgemeintoleranzen für Maße nach DIN 40 680-1, die Längentoleranzen der Sinterkörper von bis zu ± 2 % erlaubt. Einengungen der Maßtoleranzen sind durch erhöhten technischen Aufwand möglich und müssen zwischen Hersteller und Anwender im Hinblick auf die Anwendung vereinbart werden. Dabei hängt die Wahl der Toleranzen einerseits natürlich von der erforderlichen Genauigkeit aber andererseits auch von der Ausführbarkeit ab. In der DIN 40 680-1 werden die Genauigkeitsgrade in grob (g), mittel (m) und fein (f) eingeteilt. Für Zwecke des Maschinenbaus sind Bauteile mit Maßtoleranzen der Genauigkeitsgrade "grob" und "mittel" (Tab.1) meistens nicht geeignet. Die Bezeichnung einer Allgemeintoleranz für Maße (A) mit dem Genauigkeitsgrad "mittel" (m) lautet: Allgemeintoleranz DIN 40 680-A-m.

Im Allgemeinen erreichen Hersteller auch ohne Nachbearbeitung bessere Toleranzen, als in DIN 40680 festgelegt (Tabelle 1). Wesentliche Steigerungen sind aber nur durch Nachbearbeitung möglich. Der Genauigkeitsgrad "fein" kann durch Formgebung und Sintern allen nicht sichergestellt werden. Hier sind besondere zusätzliche Maßnahmen nach dem Brennen, z. B. Schleifen, Läppen, Polieren o.ä., erforderlich. Die dadurch erzielbaren Toleranzen sind in der DIN ISO 2768 (Allgemeintoleranzen für spanend gefertigte Werkstücke) und DIN ISO 1101 (Form- und Lagetoleranzen) festgelegt. Diese Normen werden im Maschinenbau und in angrenzenden Industriezweigen üblicherweise angewendet.

Die Bearbeitung von keramischen Werkstücken ist aufgrund der hohen Härte schwierig und aufwendig. So muss die Werkzeugmaschine eine extrem hohe Steifigkeit aufweisen und für die Bearbeitung können nur Diamantwerkzeuge eingesetzt werden. Sollen Präzision und Produktivität dennoch Hand in Hand gehen, sind besondere Strategien und Technologien notwendig. Ein wichtiger Aspekt ist dabei, das bereits im Vorfeld darauf geachtet wird, dass nur notwendige Flächen, z.B. Funktionsflächen, mit eingeengten Toleranzen versehen werden und für alle anderen Flächen die Allgemeintoleranzen nach DIN 40 680 "mittel" gelten. Es sollte davon abgesehen werden, alle Maße mit hohen oder höchsten Anforderungen zu versehen, da dies die Kosten erheblich steigert.

Wege zur Bearbeitung keramischer Bauteile

Man kann für die Bearbeitung keramischer Komponenten drei unterschiedliche Wege wählen:

Bild 2: Weissbearbeitung

1. Bei hinreichender Festigkeit kann der Formkörper bereits nach der Formgebung, der sogenannte "Grünling", bearbeitet werden. In diesem Fall spricht man von "Grünbearbeitung". Naturgemäß ist die Bearbeitung in diesem Zustand leicht, da die Festigkeit noch nicht ausgebildet ist. Allerdings erfolgt die Schwindung infolge der Sinterung noch nach der Bearbeitung, so dass hier die Einhaltung von engsten Toleranzen nicht gegeben ist.
2. Die Bearbeitung des gesinterten Bauteils erfordert den höchsten Aufwand, erlaubt aber die engsten Toleranzen. Man spricht hier von "Hartbearbeitung". Häufig kommt sie auch in Ergänzung zu einer Grünbearbeitung zum Einsatz.
3. Ein gewisser Mittelweg kann dadurch beschritten werden, dass man den Sinterprozess unterbricht, nachdem Binderanteile entfernt und erste Stoffbrücken ausgebildet sind. In diesem Zustand ist auch die Schwindung zu einem erheblichen Teil bereits abgelaufen. Die Bearbeitung derart "angesinterter" Formkörper wird als "Weißbearbeitung" (Bild 2) bezeichnet. Sie bietet den Vorteil, dass die Festigkeit noch nicht maximal ausgebildet ist und die Bearbeitung entsprechend leichter möglich ist. Gleichzeitig ist die Schwindung durch die noch abschließende Sinterung gering und es lassen sich höhere Präzisionen erzielen. Es lassen sich Toleranzen im Bereich von ±1% des Nennmaßes (mindestens ±0,1mm) einhalten.

Die Bearbeitung keramischer Formkörper kann nicht nur zur Einhaltung geforderter Toleranzen herangezogen werden, sondern auch als Formgebungsverfahren bei der Bereitstellung von Einzelteilen. Dieser Fall entspricht der Fertigung, ausgehend von einem Halbzeug, der spanenden Bearbeitung, wie man es von Metallen kennt. Um allerdings das mittels Hartbearbeitung abzutragende Volumen zu reduzieren, wird häufig die Kombination von Grün- bzw. Weißbearbeitung, nachfolgender Sinterung und abschließender Hartbearbeitung gewählt. Auf diesem Wege können Bearbeitungszeit und Kosten reduziert werden.

Ultraschallunterstützung ermöglicht das Bearbeiten von spröden und harten Werkstoffen

Bild 3: Hartbearbeitung Ultrasonic Verfahren

Ein wichtiger Aspekt ist die Bearbeitungstechnik. Bewährt haben sich flexible Fünf-Achs-Bearbeitungszentren, bei denen Diamantwerkzeuge mit einer oszillierenden Ultraschall-Spindel ins Bauteil geführt werden. Diese ermöglichen das Fräsen, Schleifen und Bohren mit sehr hohen Genauigkeiten. Es lassen sich Oberflächengüten von Ra < 0,2 µm, Bohrungen mit d = 0,5 mm und Standardtoleranzen von ± 0,01 mm erzielen. Noch engere Toleranzen sind möglich, allerdings müssen dazu auch besondere Maßnahmen im Umfeld der Maschine, z. B. Klimatisierung, getroffen werden.

Die Ultrasonic-Technologie (Bild 3) ermöglicht die wirtschaftliche Bearbeitung von spröden und harten Werkstoffen. Keramische Hochleistungswerkstoffe wie Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumnitrid und Siliciumcarbid lassen sich ebenso bearbeiten wie Gläser und Glaskeramiken. Damit erschließt sich eine Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten im Maschinenbau, der Medizin- und Lasertechnik sowie in Bereichen der Optik. Ein wichtiger Entwicklungsschritt für die schnellere Bereitstellung von keramischen Bauteilen in geringen Stückzahlen (Losgröße 1 bis 100) ist eine weitere Verfahrenskombination: Die Herstellung der Halbzeuge erfolgt bereits endkonturnah (near net shape) durch geeignete Verfahren wie das Vakuum-Heißgießen oder den Niederdruck-Spritzguss. Bohrungen lassen sich dann bevorzugt mittels Weißbearbeitung einbringen und die Präzisionsbearbeitung erfolgt nach dem abgeschlossenen Sinterprozess. Durch derartige Technologien und die zusätzliche Möglichkeit, die geforderten Bauteileigenschaften durch Anpassung und Optimierung der keramischen Werkstoffe einzustellen, bieten sich zukünftig deutlich bessere Möglichkeiten, keramische Komponenten für innovative Produkte in kurzer Zeit und zu vertretbaren Kosten bereitzustellen.