Design und Herstellung moderner Keramik: Wichtige Überlegungen

Welche Design- und Materialüberlegungen gibt es aus Anwendungs- und Fertigungsperspektive für moderne Keramik?

Unabhängig davon, ob Sie Hochleistungskeramik oder ein anderes Material herstellen, besteht der entscheidende erste Schritt darin, zu definieren, was Sie für die Anwendung benötigen. Für Ihre Anwendung müssen Sie wahrscheinlich mehrere Schlüsseleigenschaften berücksichtigen.

Diese Schlüsseleigenschaften bestimmen nicht nur die allgemeine Materialzusammensetzung, sondern auch die spezifische Qualität des gewählten Materials. Wir müssen auch den Herstellungsprozess für dieses Design berücksichtigen – und wie Sie Hochleistungskeramik herstellen, hängt von der Form, der erforderlichen Menge und den endgültigen Anwendungsfaktoren ab.

Dies kann ein kleines Rätsel sein und es ist oft am besten, Experten zu konsultieren, um frühzeitig Rat einzuholen. In dieser Phase wird häufig eine Geheimhaltungsvereinbarung unterzeichnet, damit beide Seiten Einzelheiten weitergeben können.

Was sollten Sie also beachten? Beginnen wir mit den primären Eigenschaften – seien sie nun elektrischer, thermischer, mechanischer, optischer Natur oder etwas ganz anderes. Denken Sie dann über die sekundären Anforderungen nach. Ihr Schwerpunkt liegt vielleicht auf der elektrischen Leistung, aber muss Ihre Keramik auch mechanischen Belastungen standhalten? Und vergessen Sie nicht die tertiären Eigenschaften, wie den Umgang mit hohen Temperaturen oder bestimmten Atmosphären.

Und hier ist eine Liste weiterer Dinge, die Sie bedenken sollten: Produktionsvolumen, Verbindungsanforderungen, Ausdehnungskoeffizienten (niedrig oder hoch), Materialkosten, Formoptionen, Toleranzen und mehr. Es ist wie eine Checkliste zum Erstellen des perfekten Designs. Denken Sie also daran: Bei Keramik kommt es vor allem darauf an, die richtige Lösung für Ihre Bedürfnisse zu finden.

Als Faustregel gilt, dass Keramikkomponenten typischerweise mindestens drei schwierige Anwendungsanforderungen erfüllen müssen, um die Wahl des Keramikmaterials gegenüber Polymeren oder Metallen zu rechtfertigen.

Wie wird Sinterkeramik geformt und welche Toleranzen sind möglich?

Bei der Herstellung moderner Keramik stehen zahlreiche Methoden zur Verfügung. Die Wahl des günstigsten Verfahrens hängt von Form, Leistung und Toleranzen ab. Hier sind einige der klassischen Ansätze.

Axialpressen

Dies ist die kostengünstige Option und ist schnell und effizient. Dies gilt häufig als die bevorzugte Methode der Branche und funktioniert am besten bei einfachen Formen und wenn das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser nicht zu groß ist. Denken Sie an kleine Komponenten wie Keramikdichtscheiben, Keramikmagnete und -kacheln.

Isostatisches Pressen

Nicht so schnell wie das Matrizenpressen, aber hervorragend für größere Teile und komplexe Formen geeignet; ein klassisches Beispiel ist die Zündkerze. Es gibt verschiedene Arten des isostatischen Pressens, jede mit ihren Vor- und Nachteilen, wie Trocken- und Nasssackpressen sowie kaltes und heißes isostatisches Pressen. Perfekt für kleine Stückzahlen und die Volumenproduktion.

Spritzgießen

Dieses aus der Kunststoffwelt entlehnte Verfahren ist für komplexe Formen in großen Stückzahlen gedacht. Da die Werkzeugkosten wesentlich höher sind, ist dieses Verfahren für kleine Chargen nicht ideal. Die Produktionsgeschwindigkeit ist hoch, aber das Ausbrennen des gesamten Polymerbindemittels kann die Dinge erheblich verlangsamen und die Maßkontrolle erschweren – sagen wir +/- 5 %.

Extrusion

Für Rohre und Stäbe ist dieses Verfahren die gängige Methode, die Werkzeugkosten sind überschaubar. Sie können sogar Standardware in verschiedenen Größen finden, die in Materialien wie 99,7 % Aluminiumoxid erhältlich sind.

Schlickerguss

Bandgießen

Dieses eignet sich perfekt für flache Keramikplatten, insbesondere für Substrate in der Elektronik. Insbesondere bei Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid sind häufig unterschiedliche Stärken auf Lager.

Beim Sintern wird die ungebrannte Keramik („Grünkörper / Grünling“), in den festen und weitgehend dichten Rohling mit den finalen Werkstoffeigenschaften umgewandelt. Dies geschieht in Batch- oder Durchlauföfen an Luft oder in einer Schutzatmosphäre für die Nichtoxidkeramik. Auch hierfür gibt es neue Tricks wie das feldunterstützte Sintern und das Spark-Plasma-Sintern. Manchmal ist ein wenig Druck erforderlich. Dann kommt das Heißpressen oder heißisostatische Pressen, auch HIPing genannt, zum Einsatz. Durch HIPing lassen sich Defekte hervorragend reduzieren und die mechanischen Gesamteigenschaften verbessern, allerdings zu höheren Kosten, und es kann die Farbe der Keramik verändern.

In der Zukunft werden wir die additive Fertigung von Keramik erleben. Bei Polymeren und Metallen funktioniert es bereits gut, als nächstes ist Keramik an der Reihe. Zahlreiche Projekte sind derzeit in der Entwicklung.

Wenn es um die Werkzeuge geht, kann es sich lohnen, für ein großes Projekt in den richtigen Werkzeugsatz zu investieren. Der Lieferant ist im Allgemeinen federführend bei der Konstruktion der Werkzeuge, besitzt sie und wartet sie.

Beim Übergang von Prototypen zur Produktion kann es zu einer Umstellung der Fertigungsmethode kommen. Dies kann sich auf die endgültigen Eigenschaften und Toleranzen auswirken. Rechnen Sie daher damit, dass während des Prozesses einige Tests durchgeführt werden müssen.

Tape-Cast-Materialien bieten Flexibilität. Sie können sie nach dem Brennen durch Laserschneiden formen oder sogar vor dem Brennen, wenn sie noch weich sind, eine Form aus ihnen stanzen. Sie können gestapelt, gepresst und als Schichten gemeinsam gebrannt werden.

Enge Toleranzen bedeuten große Kosten, da zum Erreichen der Toleranzen nach dem Brennen häufig Diamantschleif-, Polier- oder Läppvorgänge erforderlich sind. Manche Merkmale, wie etwa Außendurchmesser, lassen sich leichter schleifen, andere können schwierig oder zeitaufwändig sein.

Wenn Sie über Design und Herstellung von Keramik nachdenken, ist es hilfreich, sich frühzeitig beraten zu lassen, um die richtige Kombination aus Werkzeugen und Techniken sicherzustellen.

Andy Duncan und Precision Ceramics

Andy Duncan , Business Development Director bei Precision Ceramics, verfügt über mehr als 30 Jahre Berufserfahrung im Bereich der technischen Keramik in den Bereichen technisches Management und Geschäftsentwicklung. Andys Erfahrung in der Anwendung von Keramik ist breit gefächert und reicht vom Design und der Auswahl keramischer Materialien bis hin zu Metallverbindungen und Piezokeramik. Dank seiner umfassenden Anwendungs- und Designkenntnisse in verschiedenen Märkten kann Andy Sie dabei unterstützen, das für Ihre Anwendung am besten geeignete Material zu finden.

Precision Ceramics ist ein führender Anbieter maßgeschneiderter technischer Keramiklösungen. Wir gehen über die reine Herstellung hinaus – wir arbeiten in jeder Phase der Materialauswahl, des Produktdesigns und der Entwicklung mit Ihnen zusammen.

Wenn Sie Fragen dazu haben, welcher Keramikwerkstoff für Ihren Anwendungszweck am besten geeignet sein könnte, zögern Sie bitte nicht, Kontakt mit uns aufzunehmen.

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