Glossar

Glas


Glas ist der einzige Werkstoff, dessen Rohstoffe unerschöpflich vorhanden sind, der sich durch Transformation gestalten lässt und den Menschen durch sein unbegrenztes Spektrum an Farben und seine vielseitige Verwendbarkeit seit mehr als 2000 Jahren fasziniert. Vom rein dekorativen Werkstoff hat sich Glas in den letzten Jahren durch die Anwendungspraxis zu einem konstruktiven Werkstoff gewandelt. Komplexe Glasskeramiken sind als Ceran Platten für Elektroherde inzwischen Teil des täglichen Lebens geworden. Im Labor zeichnet sich Glas durch eine sehr hohe chemische Beständigkeit gegen Wasser, Salzlösungen, Säuren, Laugen sowie organische Lösungsmittel aus und übertrifft in dieser Hinsicht die meisten Kunststoffe. Weitere Vorteile von Glas sind Formstabilität, auch bei erhöhten Temperaturen, sowie hohe Transparenz.

In der Architektur wird Glas bereits als Haupttragelement eingesetzt. Die grundsätzlichen mechanischen Eigenschaften von Glas sind hervorragend: Eine Druckfestigkeit wie hochfeste Stähle, eine Zugfestigkeit wie die Druckfestigkeit von Beton und einen Elastizitätsmodul und eine Wärmeausdehnungszahl etwa wie Aluminium. Die Glassindustrie entwickelt zur Zeit  Bemessungs- und Konstruktionsregeln, die dieser neuen Bedeutung des Glases gerecht werden. Im Werkstoffzentrum Rheinbach können Sie Ihre Glaswerkstoffe nicht nur auf deren physikalische und thermische Eigenschaften prüfen lassen, auch die Beurteilung des Korrosionsverhaltens wird angeboten.

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Keramik


Keramik ist der älteste Werkstoff der Menschheit. Heute haben keramische Werkstoffe in der Technik einen festen Platz. Dabei sind die Lösungen mit Keramik aufgrund der besonderen Eigenschaften und Eigenschaftskombinationen überzeugend. Es sind Eigenschaften wie Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit, thermische und elektrische Isolierfähigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit gepaart mit einer geringen Dichte, die keramische Werkstoffe einzigartig machen. So findet sich heute technische Keramik als Isolator, Messfühler, Ventilstößel, Düsen und Sensoren in fast allen Geräten des Alltags. Allerdings oft im Verborgenen als Bestandteil von Bauteilen, so dass sich der Verbraucher oft auf keramische Werkstoffe verlässt, ohne es zu wissen. Natürlich lässt erst die keramikgerechte Konstruktion die Vorteile technischer Keramik zur Geltung kommen. Die Einsatzbedingungen wirken sich auf die Werkstoffauswahl und die Formgebung des Bauteiles sowie auf seine Vorbereitung für den Einbau aus. Schon in der Entwicklungsphase von Bauteilen unterstützt das Werkstoffzentrum Rheinbach Anwender und Hersteller bei der Analyse und Definition der Anforderungskriterien und konstruktiven Voraussetzungen. Dazu verfügt das Team in Rheinbach nicht nur über sämtliche gängigen Prüfverfahren, vielmehr bietet es durch fachübergreifendes Know How einzigartige Möglichkeiten für Hersteller und Anwender feuerfester Werkstoffe oder Verbundwerkstoffe.

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Kunststoff


Kunststoff ist heute der am häufigsten verarbeitete Werkstoff der Welt. Es gibt kaum noch ein Produkt, dass ohne den Werkstoff Kunststoff auskäme. Sein Einsatzspektrum reicht vom leichtgewichtigen Verpackungsmaterial bis zum temperaturbeständigen Weltraumbauteil. Innovative Technologien führen zu neuen Einsatzmöglichkeiten für Kunststoffmaterialien. Dabei leisten Kunststoffe einen immer größeren Beitrag zu mehr Effizienz, Komfort, Sicherheit und Umweltschutz. Im Labor hat sich neben Glas Kunststoff als Werkstoff durchgesetzt.
Bruchfestigkeit und geringes Gewicht sind die entscheidenden Vorteile der Kunststoffe, deren physikalische und chemische Eigenschaften je nach Beschaffenheit stark variieren. Kunststoffe, die prinzipiell in Elastomere, Duroplate und Thermoplaste unterschieden werden, helfen Gewicht zu sparen und Kosten zu senken und gerade die Kombination leicht, hitzebeständig und korrosionsresistent ist häufig gefragt. Im Werkstoffzentrum Rheinbach finden Sie Ihren Ansprechpartner zur Werkstoffauswahl und -prüfung. Streckspannung, Zugfestigkeit, Reißdehnung, Zug- und E-Modul, Kugeldruckhärte, Härte nach Shore oder Rockwell, Izod oder Charpy Kerbschlagzähigkeit, Durchschlagfestigkeit und die Temperaturformbeständigkeit werden bei uns geprüft.

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Metall


Als einer der ältesten Werkstoffe, zeigen gerade Metalle ein Potenzial, das seinesgleichen sucht. So ist im Automobilbau Stahl immer noch der vorherrschende Werkstoff, ein Werkstoff, der mit Recyclingquoten von annähernd 100% zudem umweltfreundlich ist. Stahl ist unübertroffen elastisch, und erträgt hohe Belastungen verformungsfrei. Aber auch andere Metalle wie Aluminium und Magnesium gewinnen an Boden, da sie in punkto Festigkeit bezogen auf Gewicht sogar besser abschneiden. Der leichteste Werkstoff ist dabei Magnesium mit 1,8g/cm3, wobei Magnesium unbegrenzt verfügbar und sich sehr gut wiederverwerten lässt. Leichtbauwerkstoffe sind aber nicht nur in der Automobilindustrie, sondern auch im Waggonbau auf dem Vormarsch. Hier wird immer häufiger Aluminium eingesetzt, das rund zwei Drittel leichter ist als der klassische Werkstoff Stahl.

Allerdings setzt die Nutzunggerade von Aluminium und Magnesium detaillierte Werkstoffkenntnisse voraus. Wichtig vor allem das Verhalten, z.B. die Festigkeit  der Werkstoffe unter besonders tiefen oder hohen Temperaturen. Eigenschaften werden in hohem Maße von Legierungsbestandteilen (oft im ppm-Bereich) bestimmt. Genau hier bietet das Leistungsspektrum des Werkstoffzentrums Rheinbach sowohl Produzenten, als auch Verarbeitern und Anwendern, mit umfangreichen Prüfungen Lösungen.

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Bild eines simulierten Zylinders bei der FEM

Finite Elemente Methode (FEM)


Durch die voranschreitende Entwicklung in der Computertechnik haben sich computergestützte numerische Berechnungsmethoden fürmechanische Systeme immer mehr etabliert. Komplizierteste Konstruktionen können so frühzeitig, ohne dass Modelle gebaut werden müssten, berechnet werden.

Das Grundprinzip der FEM besteht darin, dass große Geometrien in viele kleine Teilstücke (die finiten Elemente) zerlegt werden. Diese einzelnen Elemente sind über so genannte Knoten miteinander verbunden. Durch zusätzliche Vorgabe von Randbedingungen werden die Lastparameter vom Programm erfasst. Programmintern wird dann ein komplexes Gleichungssystem aufgestellt, welches alle eingegebenen Parameter beinhaltet.
Der Programmablauf einer FEM Berechnung gliedert sich stets in drei Teilprozesse.

  • Zunächst werden alle Eingaben zur Geometrie und der Belastung im Preprocessor des Programms getätigt.
  • Anschließend löst der Solver-Algorithmus des Programms das auf den Eingaben basierende Gleichungssystem, was je nach Umfang und Rechenkapazität durchaus mehrere Stunden beanspruchen kann.
  • Zum Schluss werden die Ergebnisse der Berechnungen im Postprocessor des Programms graphisch aufgearbeitet und zum Beispiel durch unterschiedliche Farben visualisiert.

Als Beispiel sei hier die Simulation des Scheibendruckversuches angeführt:

Bildreihe des Pinzips der FEM am Beispiel des Scheibendruckversuchs

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Foto einer gebrochenen Scheibe nach einem Druckversuch

Scheibendruckversuch -

indirekte Prüfung der Zugfestigkeit von keramischen Werkstoffen

Bei der Beurteilung von Werkstoffen ist die Bestimmung der Festigkeit, insbesondere der Zugfestigkeit, von besonderer Bedeutung. Die Prüfung der Zugfestigkeit von spröden Werkstoffen in direkten Verfahren ist allerdings sehr aufwendig.
Zurzeit haben sich Verfahren im Drei- bzw. Vierpunktbiegeversuch durchgesetzt. Nachteile dieser Verfahren sind das vergleichsweise geringe tatsächlich beanspruchte Probevolumen und die starke Abhängigkeit der Ergebnisse von der Beschaffenheit der Oberfläche und von den Probenabmessungen.
Eine attraktive Alternative dazu stellt die indirekte Prüfung der Zugfestigkeit im Scheibendruckversuch dar, wie sie sich bei der Prüfung von Beton längst durchgesetzt hat.
Im Unterschied zu den in der Keramik verwendeten Prüfmethoden beginnen bei dieser Prüfmethode die Versagensrisse nicht an den Außenkanten der Prüfkörper sondern im Werkstoffinneren. Daraus resultierenden die besonderen Vorteile dieser Prüfmethode,  die im Folgenden zusammengestellt sind:

  • Einfache Probengeometrie
    • geringer Aufwand, Kostenreduktion
  • Geringer Einfluss der Oberflächengüte
    • Kostenreduktion; Zeitfaktor
  • Kleine Proben
    • mehr Proben pro Volumen; Prüfung an Bruchstücken möglich
  • Großes effektiv belastetes Volumen
  • Geringe Streuung
    • Höhere Aussagekraft der Einzelwerte, geringere Probenanzahl notwendig
    • Höhere Reproduzierbarkeit der Messwerte

Bildvergleich der Simulation und eines real durchgeführten Scheibendruckversuches

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Foto eines feuerfesten Gießbehälters beim Abguß von flüssigem Stahl

Feuerfeste Werkstoffe


Feuerfeste Werkstoffe werden zur Auskleidung und Zustellung wärmetechnischer Anlagen unter Hochtemperaturbelastungen eingesetzt. Sie dürfen daher unter Belastung keine Formänderung erfahren, müssen unter Anwendungsbedingungen raumstabil sein und sollen schnellen Temperaturwechseln ohne wesentlichen Verlust der mechanischen Festigkeit standhalten. Technologische Prüfungen, die am Werkstoffzentrum Rheinbach durchgeführt werden, dienen dabei im Wesentlichen der Qualitätskontrolle. Dies sind in erster Linie Prüfungen, die am genormten Prüfkörper unter Raumtemperatur stattfinden, wie z.B. die Kaltbiegefestigkeit, Druckfestigkeit, Bestimmung der Porosität oder Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop.

Thermische Prüfungen können zusätzlich Aufschluss geben über das Werkstoffverhalten im Einsatz. Dies sind Untersuchungen der Heißbiegefestigkeit, Prüfungen zur Temperaturwechselbeständigkeit oder der Heißabrieb.

Im Werkstoffzentrum Rheinbach wurde beispielsweise ein Verfahren zur Bestimmung der Heißabriebfestigkeit nach ASTM704-88 entwickelt, mit dem die Beurteilung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrasion feuerfester Werkstoffe überprüft werden kann. Abrasionsmittel sind SiC Körner, die unter definierten Bedingungen mittels Pressluft auf die Probe gestrahlt werden.
Die Heißbiegefestigkeit wird über eine Anlage bis zu Temperaturen von 1600C mittels Dreipunktbiegung gemessen. Mittels eines Wegaufnehmers lässt sich zusätzlich die Dehnung ermitteln. Es wir so die Ermittlung des statischen E-Moduls und des V-Moduls ermöglicht.
Die Temperaturwechselbeständigkeit wird im Werkstoffzentrum Rheinbach sowohl an oxidischen wie an nichtoxidischen Werkstoffen gemessen. Eine besondere Rolle kommt hier den Untersuchungen an graphithaltigen Werkstoffen zu, da diese in speziell angepassten Brennöfen unter Schutzgas aufgeheizt werden. Es kann - je nach Methode - das Risswachstum unter Temperaturwechselbelastung oder die verbleibende Restfestigkeit nach Hasselman bzw. die Thermoermüdung gemessen werden.


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Bild eines ringförmigen Bauteils aus der technischen Keramik

Technische Keramik


Unter dem Begriff "Technische Keramik" werden alle keramischen Werkstoffe zusammengefasst, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden können. Der Bogen spannt sich von der Funktionskeramik über die Konstruktionskeramik bis zur Feuerfestkeramik.

Die technische Anwendung keramischer Werkstoffe fand zunächst in Form von feuerfesten Baustoffen statt. Zur Herstellung von Glashäfen wurden spezielle Tone benutzt, bei denen man einen hohen Erweichungspunkt beobachtet hatte. Dazu zählen die Tone von Großalmerode, wo im 16. und 17. Jahrhundert ein Monopol der Glashafenproduktion bestand. Für höhere Temperaturen, wie sie in der Metallurgie angewandt wurden, standen Graphittiegel zur Verfügung, die im Gebiet um Passau seit dem Mittelalter hergestellt wurden. Aus den östlich von Passau vorkommenden Graphitschiefern konnte ein Graphitkonzentrat hergestellt werden, das in Verbindung mit Töpferton eine dichte und besonders temperaturwechselbeständige schwarze Töpferware ergab. Diese Tiegel, die auch säurefest waren, genügten den Anforderungen aller mittelalterlichen metallurgischen Schmelzprozesse. Die Erschließung der Lagerstätten von Ceylon durch Engländer im 19. Jahrhundert brachte bessere Materialien nach Europa und ließ schließlich England zum wichtigsten Hersteller von Graphitschmelztiegeln aufsteigen. Die Entwicklung der Feuerfestkeramik wurde in besonderem Maße durch die Anforderungen der Stahlindustrie geprägt. In rascher Folge wurden im 19. Jahrhundert Schamotte-Sorten verbessert und neue Werkstoffe wie Silica-, Magnesia- und Doloma-Steine, entwickelt. Durch die Entdeckung einer Magnesitlagerstätte in der Steiermark hat Österreich die Herstellung basischer feuerfester Produkte in der ganzen Welt beeinflusst. Seit Ende des 19. Jahrhunderts sind eine Reihe weiterer Feuerfestwerkstoffe hinzugekommen.
Neue Anforderungen an keramische Werkstoffe ergaben sich, als Werner von Siemens 1849 Isolatoren aus Porzellan für die Telegraphenleitung von Frankfurt nach Berlin einsetzte. Nur Porzellan konnte zu dieser Zeit als Isoliermaterial eingesetzt werden, das gleichzeitig auch gegen die klimatische Beanspruchung resistent gewesen ist. In diesem Zusammenhang wurde an Porzellan erstmals eine Forschung betrieben, die eine Änderung des Gefüges vorsah, wodurch eine gezielte Verbesserung der Eigenschaften erreicht werden sollte.
Auch für die im 20. Jahrhundert aufkommende Motorisierung erwies sich die Keramik n Form der Zündkerze als unersetzlich. Zudem markiert die Entwicklung der Zündkerze einen weiteren Meilenstein in der Geschichte der Keramik. Denn mit der Zunahme der Bedeutung der Motorisierung entwickelte sich das bisherige Isoliermaterial der anfänglichen elektrischen Zündkerze unter dem Zeichen der Leistungssteigerung mehr und mehr zu einer Schwachstelle. Antiklopfmittel wurden gesucht und im Eisencarbonyl gefunden, das allerdings zu Verschlackungen der damals aus Porzellan, später aus Steatit, bestehenden Isolatoren führte. Als mögliche Alternative wurde der Rohstoff Aluminiumoxid aufgegriffen, dessen Herstellung mittels des Bayer-Verfahrens zwischen 1887 und 1892 erfunden wurde. 1931 gelang der Fa. Siemens & Hanke die Herstellung der Sinterkorund-Zündkerze. Hiermit wurde erstmals ein synthetischer Rohstoff für die Herstellung einer Keramik eingesetzt. Heute ist die Verwendung synthetischer Rohstoffe in der Technischen Keramik selbstverständlich.
Der allmähliche Durchbruch der keramischen Werkstoffe außerhalb der traditionellen Anwendungsgebiete begann in den 1950er Jahren. Verbesserungen der Prozesstechnik und der instrumentellen Analytik unterstützten die Erschließung neuer Anwendungsgebiete. Besonders starke Impulse kamen aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt und der Reaktortechnik. In den 1970er Jahren gelang der Funktionskeramik der Durchbruch. Dazu zählen insbesondere die Werkstoffe, die in der Elektronik und Elektrotechnik zur Anwendung kommen. Auch heute noch hat die Funktionskeramik einen Marktanteil von ca. 80% der in der Technik eingesetzten Keramiken. Auch in dieser Zeit wurde Siliciumnitrid entwickelt, wodurch völlig neue Möglichkeiten eröffnet wurden. Es folgte in den 1980er Jahren eine wahre Keramik-Euphorie, die insbesondere unter den Stichworten "PKW-Gasturbine" und "Keramischer Motor" umfangreiche Forschungsaktivitäten auslösten. Allerdings konnten die hochgesteckten Erwartungen in der Kürze der Zeit nicht erfüllt werden. Durch die Entdeckung keramischer Supraleiter wurde diese Euphorie noch weiter gefördert, allerdings musste sie schon in den 1990er Jahren einer gewissen Ernüchterung weichen. Die großen Hoffnungen konnten seitens der Forschung nicht in so kurzer Zeit erfüllt werden
Heute stellt sich die Technische Keramik gleichberechtigt neben den anderen Werkstoffen dar und ist zum Teil der High-Tech-Sparte zuzuordnen. Viele Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte haben noch keine Umsetzung in die Produktion gefunden, hier bietet sich noch ein großes Potential. In Deutschland stellten in diesem Industriezweig Mitte der 1990er Jahre rund 12000 Beschäftige Produkte im Wert von 1,5 Mrd. Euro her. Der Verband der Keramischen Industrie schätzt den Weltmarkt für Technische Keramik auf mehr als 10 Mrd. Euro, rund 15% des gesamten Keramikmarktes. Zwischen 1991 und 1998 stieg der Produktionsindex für Technische Keramik in Deutschland um rund ein Viertel.

Quelle: "Technische Keramik", W. Kollenberg (Hrsg.), Vulkan-Verlag Essen, 2004


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