Konstruieren

 

 

 

Konstruieren mit Keramik:

Ohne Ecken und Kanten

von Dipl.-Ing. Martin Hartmann

 

Während der Umgang mit konventionellen Werkstoffen wie Metallen und Kunststoffen den Ingenieuren sozusagen in Fleisch und Blut übergegangen ist, stößt die Keramik auf mancherlei Vorbehalte. Ein Großteil dieser Vorbehalte beruht jedoch auf der Unkenntnis keramikgerechter Konstruktionsregeln. Werden die Regeln beachtet, ist die Keramik ähnlich unproblematisch wie andere Werkstoffe auch. Allein das 'Gewußt wie' hilft in fast allen Fällen weiter!

Die verantwortlichen Planungs- und Konstruktionsingenieure in den Unternehmen haben im allgemeinen langjährige Erfahrungen mit metallischen und polymeren Werkstoffen; andere Materialien rangieren zunächst einmal unter 'ferner liefen' bzw. als 'interessant, aber exotisch'. Speziell die Präferenz für Metalle beginnt schon früh: In fast jeder gewerblichen Ausbildung gehört das Schleifen und Fräsen von Metallen zur Pflichtübung. Neue oder nicht so häufig eingesetzte Werkstoffe finden dagegen auch in der Ausbildung wenig Beachtung. Das Problem dabei liegt auf der Hand: Womit man nicht vertraut ist, das plant man natürlich konstruktiv nicht ein. Infolge dessen fehlt es an langfristigen Erfahrungen beispielsweise mit dem Werkstoff Keramik. Der Kreis schließt sich...

 

Obwohl die Technische Keramik seit langem in der Industrie eingesetzt wird und sich dort Standardanwendungen erobert hat, ist der Umgang mit ihr keineswegs selbstverständlich. Dies macht sich vor allem bei den konstruktiven Details bemerkbar: Zu oft wird aus mangelnder Routine ignoriert, daß das Konstruieren mit Keramik anderen, eigenen Regeln folgt. Ein Standardfehler: Man kann – im Gegensatz zu einem Wechsel von einem Metall zu einem anderen – beim Wechsel zur Keramik nicht einfach die ursprüngliche Zeichnung 1:1 in ein Bauteil übertragen. Vielmehr muß der Konstrukteur die technischen Elemente mehr oder weniger neu entwerfen und dabei die keramikgerechten Konstruktionsrichtlinien beachten (s.a. Text im Kasten). Eine weitere Besonderheit der Keramik ist, daß sie ihre Grundform ('Grünkörper' genannt) bereits vor dem eigentlich werkstoffbildenden thermischen Prozeß erhält. Das Problem: Beim Brennen des geformten Bauteils setzt noch ein Schwindungsprozeß ein, bis der eigentliche keramische Werkstoff vor liegt. Nicht nur das Schwundmaß muß bei der Auslegung bereits eingerechnet werden, diese Eigenart beeinflußt in entscheidendem Maße auch die Konstruktion keramischer Bauteile!

 

Spezielle Konstruktionsrichtlinien beachten

Um die vorteilhaften Eigenschaften des keramischen Werkstoffs möglichst optimal nutzen zu können, gilt es, die bekannten Problembereiche möglichst geschickt zu meiden. Die Nachteile, wie Sprödigkeit, Fehlanpassungen an die metallene Umgebung durch hohen E-Modul oder geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, lassen sich mit geeigneten Gestaltungsmaßnahmen, also zum Beispiel Funktionstrennung, Modultechnik sowie druckbelasteten Bauteilen abschwächen oder ganz vermeiden.

 

Eine wesentliche Voraussetzung für die Entscheidung über die technische Machbarkeit und über die Wirtschaftlichkeit (Preisfindung aufgrund der Kostenkalkulation) ist eine vollständige und korrekte Zeichnung. Die zu erwartenden Stückzahlen wirken sich entscheidend auf die Wahl des Herstellungsverfahrens und dadurch auf die Kosten aus. Kleinstserien, Einzelstücke und Versuchsteile werden häufig aus einem grünen Rohling herausgearbeitet, während für große Serien die Fertigung mit aufwendigen Werkzeugen z.B. beim Trockenpressen, Strangpressen oder Spritzgießen unverzichtbar ist. Nach verschiedenen Verfahren hergestellte Bauteile besitzen nicht unbedingt identische Eigenschaften (Dichtegradienten, Toleranzen, Wanddicken, Konizitäten, Eigenspannungen). Dies ist vorallem bei der Übertragung von Ergebnissen aus Vorversuchen auf die normale Fertigung zu berücksichtigen.

Keine Spitzen und scharfen Kanten

Aufgrund des gänzlichen Fehlens plastischen Verformungsvermögens bei niederen und mittleren Temperaturen versagt Keramik im Bereich der kritischen Gefüge-Inhomogenitäten spontan beim Erreichen der örtlichen Materialfestigkeit. Die hohen Spannungen treten besonders im Bereich von kleinen Radien, scharfen Kanten, Stufen und Absätzen, Bohrungen sowie im Bereich punkt- oder linienförmiger Krafteinleitungen auf. Unter Umständen wird hier aufgrund der teilweise erheblichen Kerbwirkung die Materialfestigkeit viel früher erreicht, als es die äußere Belastung der Komponente erwarten läßt. Deshalb sollten bei der konstruktiven Gestaltung eines keramischen Bauteils als Kerben wirkende geometrische Formen (Spannungskonzentrationen) vermieden oder zumindest nur in abgeschwächter oder optimierter Form verwendet werden.

 

Dagegen ist die hohe Druckbelastbarkeit eine besondere Stärke keramischer Materialien. Eine keramikgerechte Konstruktion nutzt diese Eigenschaft möglichst optimal aus und hält jene Bereiche möglichst klein, in denen das Teil zug- oder biegebelastet wird. Insbesondere sollten in den zugbelasteten Bereichen starke Spannungskonzentrationen vermieden werden. Diese Grundsätze werden oft nicht ausreichend beachtet – meist deshalb, weil versucht wird, eine Komponente, die ursprünglich "metallisch" ausgelegt war, formgleich in eine keramische Version zu überführen. Dies erhöht nicht nur die Herstellungskosten, sondern stellt gelegentlich auch die generelle Machbarkeit des Produkts in Frage.

 

Werkstoffverbund optimiert Verschleißschutz

Besonders das Einbinden keramischer Komponenten in metallische Baugruppen erfordert eine Reihe von konstruktiven Besonderheiten. Diese zu beachten ist wichtig, werden doch in den meisten Anwendungsfällen einzelne Komponenten aus keramischen Werkstoffen mit benachbarten metallischen Bauteilen und Baugruppen verbunden. Dies ist u.a. bei verschleißanfälligen Konstruktionen der Fall, wie der Auskleidung von Schüttgutrinnen. Solche Werkstoffverbunde, also Bauteile, in denen die Keramik gezielt an besonders problematischen Stellen eingesetzt wird, haben ein besonders chancenreiches Marktpotential. Denn in Zukunft wird es mehr und mehr darum gehen, Werkstoffe wie Keramiken als Problemlöser gezielt einzusetzen. Grundsätzlich raten Fachleute zu dieser Konzeption: Keramik in den verschleißbedingten Problemzonen, ansonsten bleibt die Konstruktion möglichst aus Metall. Die Keramik wird hierbei mittels einer kombinierten Fügetechnik mit dem metallischen Grundkörper verbunden. Unter kombinierter Fügetechnik ist die sowohl kraft- als auch formschlüssige Verbindung der Keramik mit dem Träger zu verstehen.

 

Vorteilhafte Modulbauweise

Kompliziert geformte oder große Keramikkörper lassen sich mit den üblichen Formgebungsverfahren (s.u.) unter Umständen gar nicht oder nur mit erheblichem Aufwand herstellen. Eine vielfach praktizierte Methode ist, das aufwendige Teil in zwei oder mehrere einfache oder kleinere Einheiten aufzuteilen, so daß deren Fertigung wesentlich leichter ist. Es muß lediglich von Anfang an dafür gesorgt werden, daß diese kleineren Einheiten wieder zu einem Ganzen zusammengefügt werden können. Der Aufbau keramischer Bauteile in Modulbauweise bietet in vielen Fällen auch Vorteile bezüglich der Kombination von Herstellungsverfahren. Darüber hinaus werden die Qualitätssicherung erleichtert, die Beanspruchbarkeit angehoben und thermische Spannungen reduziert. Beispielsweise lassen sich 4 bis 5 m hohe Isolatoren für 550 kV (Großporzellan) aus vorgefertigten Einzelteilen zusammenkleben oder zusammenglasieren. Für das Fügen von gleichen Materialien (Keramik/Keramik) werden verschiedene Techniken in der Praxis bereits erfolgreich eingesetzt:

  • Garnieren und Laminieren (Einzelteile werden im Grünzustand zusammengesetzt) mit anschließendem Zusammensintern,
    z.B. Welle und Rotor bei einigen Ausführungen des Turbolader-Rotor,
  • Kleben und
  • Löten.

 

Adäquate Fertigungsverfahren nutzen

Ebenso wie bei der Herstellung metallischer oder polymerer Werkstoffe besitzen selbstverständlich auch die einzelnen Fertigungsverfahren für keramische Bauteile besondere Vorzüge, aber auch Grenzen:

  • So können beispielsweise mit dem Schlickergießverfahren Teile mit konstanter Wanddicke hergestellt werden, wobei die erzielbaren Wanddicken im Bereich bis maximal einigen Millimetern (abhängig vom Werkstoff) liegen. Planparallele Seitenflächen sind nur mit einem erhöhten Aufwand herstellbar, da hierdurch die Entformbarkeit des getrockneten Gießteils erschwert wird. Formhinterschneidungen sind ebenfalls schwierig und nur mit Hilfe von aufwendigen, mehrteiligen Gießformen erzielbar.
  • Durch Extrudieren werden üblicherweise rohr- oder stangenförmige Teile angefertigt. Hier liegt die Fertigungskunst in der Einhaltung des Querschnitts des Körpers und der Vermeidung von unzulässigen Verformungen (Durchbiegung, Ovalisierung etc.) in axialer und radialer Richtung.
  • Mit Hilfe der Spritzgießtechnik ist es möglich, auch kompliziert geformte, endformnahe Körper herzustellen. Die Werkzeugkosten und die Zahl der zu fertigende Teile stellen bei diesem Verfahren ganz erhebliche Faktoren in der Kostenkalkulation dar.
  • Die isostatische Preßtechnik wird unter anderem zum Anfertigen von Rohlingen mit besonders gleichmäßiger Dichte verwendet. Anschließend läßt sich die Keramik mit spanabhebenden Formgebungsverfahren, wie Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen oder Sägen (mit Diamantwerkzeugen), im ungebrannten Zustand weiter bearbeiten.
  • Ein häufig verwendetes Verfahren für die Serienproduktion von kleineren Teilen ist die Trockenpreßtechnik. Mit diesem Verfahren lassen sich relativ flache Teile mit einem Verhältnis von Höhen- zu Wandstärken kleiner vier (in Sonderfällen kleiner acht) und keinen zu starken Höhenunterschieden (Sackbohrungen, Stufen etc.) wirtschaftlich herstellen. Die Preßwerkzeuge werden aufgrund der hohen Härte der keramischen Pulver sehr stark verschleißbeansprucht. Für die geforderte Maßhaltigkeit der Teile ist daher die Standzeit der Werkzeuge begrenzt und hat Auswirkungen auf die Kosten.

Fazit:

Werden einige Grundregeln für die keramikgerechte Konstruktion beachtet, ist die Konstruktion mit Technischer Keramik nicht schwieriger als der Umgang mit anderen Werkstoffen. Für den Erfolg ist die enge Zusammenarbeit zwischen Keramikhersteller und Konstrukteur wichtig: Bereits in der Planungsphase müssen Informationen über die genaue Funktion des zu entwerfenden Bauteils und die Eigenschaften der in Frage kommenden keramischen Werkstoffe beschafft werden. Die Machbarkeitsstudie sollte nicht nur die technischen Randbedingungen, sondern auch den Kostenrahmen abstecken, um die Gefahr von Fehlinvestitionen - auch bei Planungs- und Entwicklungskosten - möglichst frühzeitig zu erkennen. Geradezu ideale Bedingungen liegen natürlich vor, wenn der Konstrukteur mit der Keramik umzugehen weiß und der Materialproduzent Verständnis für die technischen Abläufe des Kunden hat. Dann steht einem Einsatz der Keramik als Konstruktionswerkstoff nichts mehr im Wege.

 

Keramikgerechte Konstruktionsprinzipien

 

Duktile (metallische) Werkstoffe und spröde (keramische) Werkstoffe unterscheiden sich in vielfacher Hinsicht. Zwar kann der klassische Konstrukteur auf gewisse Analogien aus der Gießtechnik und den Fertigungsmöglichkeiten der Pulvermetallurgie zurückgreifen, jedoch nicht bei allen Konstruktionen – technische Keramik hat eigene Gesetzmäßigkeiten

 

  • Druckspannungen sind von Vorteil: Druckspannungen in der Keramik sind bei der Konstruktion stets zu bevorzugen.
  • Vermeidung von Spannungsspitzen und Materialanhäufungen: Spannungsspitzen im keramischen Bauteil sind durch weiche Übergänge an Absätzen und Kanten vermeidbar. Beim Kontakt mit anderen Bauteilen ist auf eine große Kontaktfläche zu achten (Flächenkontakt statt Punkt- oder Linienkontakt)
  • Einfache Bauteilgeometrie: Kompliziert geformte Bauteile sollten u.U. segmentweise aus Bauteilen mit einfacher Geometrie aufgebaut werden. Dies erhöht häufig die Fehlertoleranz des Gesamtbauteils und senkt die Herstellungskosten durch eine vereinfachte Fertigung.

Wenig Endbearbeitung anstreben

 

Wie belastbar ist eine Konstruktion?

 

Hersteller und Anwender keramischer Bauteile beurteilen die mechanische Belastbarkeit von Konstruktionen derzeit auf vier Wegen:

  • entsprechend der Erfahrung (intuitives Wissen),
  • mit analytischer Berechnung der Spannungsverteilung oder
  • mit numerischer Berechnung der Spannungsverteilung und der Berechnung der örtlichen Verteilung der Ausfallwahrscheinlichkeit mit statistischen Methoden.

 

Der Aufwand für die Festigkeitsauslegung mittels statistischer Methoden ist sehr hoch. Allerdings lassen sich bestimmte Eigenschaften des Werkstoffes erst mit Hilfe dieses mathematischen Verfahren ausnutzen. Nach den gleichen Verfahrensweisen lassen sich keramische Bauteile für die Langzeitanwendung und Ermüdungsbeanspruchung beurteilen. Da jedoch das Versagen dieser Werkstoffe meist auf eine Riß-Initiierung und auf Rißwachstumsvorgänge zurückzuführen ist, ist bei besonders kritischen, hochbelasteten Bauteilen die Anwendung der bruchmechanischen Methode in Verbindung mit numerischen Rechenverfahren und statistischen Versagensmodellen verfügbar. Trotz der Existenz der heutigen Berechnungsmethoden ist die 'Erfahrung' nicht zu unterschätzen. Für weniger sensible Anwendungen werden in der Praxis entsprechend intuitivem Wissen und überschlägiger Berechnungen sowohl die Materialien, wie auch die Betriebsbelastungen beurteilt und die Bauteile ausreichend sicher ausgelegt. Nicht zuletzt stammen die wichtigsten Grundregeln für das Auslegen keramischer Werkstoffe aus dem langjährigen Erfahrungsschatz von Praktikern.

 

Veröffentlicht und redaktionel überarbeitet im Industrie Anzeiger Nr. 5 vom 1.2.1999
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03. Juli 2003

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