Akzeptanz verbessern

 

 
 
   

 

 

Materialica 99: Technische Keramik bewährt sich als Trouble-shooter

Keramik-Branche will Akzeptanz verbessern

von Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann

 

 

Die Technische Keramik soll aus dem Schatten der 'großen' Werkstoffe heraustreten – so der verständliche Wunsch der überwiegend mittelständischen Hersteller. Ein Rundgang auf der 'Materialica' in München zeigt, was die Hersteller derzeit bewegt und die Branche vorwärts bringt.

 
VDI nachrichten, Lambsheim, 15. Oktober 99 – Im vergangenen Jahr produzierte die deutsche Industrie Technische Keramik im Wert von rund 800 Millionen Mark – mit langfristig steigender Tendenz. Doch trotz dieser beachtlichen Größenordnung bleibt die Keramik im Schatten der etablierten Werkstoffe. Nur wenn ein namhafter Autohersteller eine Keramik-Bremsscheibe ankündigt, ist das Echo in den Medien groß. Für einen neuen keramischen Fadenführer in der Textilindustrie gilt das eher weniger. Dipl.-Ing. Wulf Hoenen, Geschäftsführer im Verband der Keramischen Industrie, setzt deshalb auf eine langfristige Strategie, um die Keramik aus der Exoten-Ecke herauszuholen: "Wir müssen Basisarbeit bei der Ausbildung des technischen Nachwuchses leisten." Denn jeder Konstrukteur setzt natürlich bevorzugt jene Werkstoffe ein, die er bereits vom Studium her kennt.

 
Was die Technische Keramik zu leisten vermag, das war auf der diesjährigen Materialica ausgiebig zu bewundern, tummelte sich doch in München die Créme de la Créme der Keramik-Spezialisten. Ein Rundgang zeigte schnell: Die Stimmung in der Branche entspricht der gedämpften Konjunktur, manche berichten allerdings auch von einem massiven Aufschwung: "In den vergangen sechs Monaten verzeichnen wir mit Keramiken einen Auftragszuwachs von 40 %," freut sich Dr.-Ing. Dieter Brunner, Geschäftsführer der ANCeram. Sein Hauptgeschäft: Aluminumnitrid-Keramiken für die Leistungselektronik – je mehr Leistung abgefordert wird, desto gezielter kommen wegen der entstehenden Kühlprobleme Keramiken zum Einsatz.
Auf ganz anderen Gebieten sucht Rauschert den Erfolg, neuerdings sogar mit einer Kochplatte aus Siliciumnitrid: "Das Ziel der Industrie ist es, der Hausfrau ein programmiertes Kochen anzubieten. Unsere Keramik-Kochplatte ist deutlich weniger träge als herkömmliche Systeme und läßt eine saubere Temperaturregelung zu," so Geschäftsführer Rainer Kober. Wachstumspotentiale für Technische Keramik sieht er im übrigen bei Keramikfiltern (Nanomembranen in der Abwasseraufbereitung), generell im Umweltschutz (Katalysatoren, Diesel-Rußfilter, REA) und bei der Halbleiter-Herstellung. Kober: "Hohe Anforderungen kommen der Keramik entgegen."

 
Was aus seiner Sicht die Branche stark bewegen wird, ist die zunehmende Kundenforderung nach Systemlösungen. Demnach erwarte der Markt heute vom Keramik-Lieferanten oft nicht nur kundenspezifische Materialien, sondern auch einen möglichst umfassenden Service einschließlich der Montage. Der Lieferant müsse sich vom reinen Produzenten zum Dienstleister wandlen und in der Branche seines Kunden zunehmend Know-how aufbauen. "Eine Konzentration auf spezifische Branchen ist für uns deshalb zwingend," ist Kober sicher.

 
Häufig zu hören war, daß die Branche unter der stereotypen Aufgabenstellung leide, mit der Anwender an sie herantreten: 'Welche Keramik kann meinen bisher eingesetzten Werkstoff ersetzen?' Dipl.-Ing. Martin Sembach, Geschäftsführer der Sembach GmbH: "Ein 1:1 Ersatz ist wegen der keramikspezifischen Anforderungen an ein Bauteil kaum denkbar. Ohne konstruktive Veränderungen geht das normalerweise nie. Deshalb plädieren wir immer dafür, daß der Anwender den Keramik-Lieferanten bereits vor Konstruktionsbeginn ins Boot holt." 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 z.B. 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.

 
Dipl.-Ing. André Hiemann von TeCe Technical Ceramics rät, dem potentiellen Anwender schon früh eine grobe Kostenschätzung zu signalisieren, damit nicht erst in einer weit fortgeschrittenen Phase "unangenehme Überraschungen das Projekt jäh stoppen". Nach wie vor gelte: "Die Keramik hat dann die besten Chancen, wenn der Anwender dadurch einen technologischen Marktvorteil erhält." Und Beispiele dafür finden sich in der Praxis zuhauf: Da ist ein Pumpen-Rotor aus Keramik, der sich in 73 Betriebstunden amortisiert; da gibt es Rinnen und Düsen, die – bei nur etwa doppelten Investitionskosten – mit einer 10fachen Standzeit glänzen. Immer wieder zeige sich auch genau bei solchen Fällen ein klarer Zielkonflikt zwischen dem Anlagenbauer und dem späteren Anwender. Während der Betreiber sehr wohl auf die für ihn wichtigen Life-cycle-Kosten achtet, muß der Anlagenbauer meist in einem festgelegten Kostenrahmen bleiben. "Dann hat es die Technische Keramik oft schwer," war zu hören.

 
Ist eine Neukonstruktion unter Kostengesichtspunkten nicht möglich, bietet sich in manchen Fällen die keramische Beschichtung an. Bestehende metallische Bauteile werden durch das Aufbringen einer dünnen keramischen Beschichtung in ihrer Geometrie praktisch nicht verändert, trotzdem ist der gewünschte Verschleißschutz gegeben. Für viele Anwender ist das Beschichten auch deshalb eine geschätzte Alternative – weil man so schließlich die geliebte metallische Welt nicht komplett verlassen muß. Unter psychologischen Aspekten sei dies ein nicht unwichtiger Punkt, wie Dr.-Ing. Arthur Lynen, Schunk, versichert.

 
Natürlich heißt die naheliegende Frage auf einer Messe immer: 'Was gibt es Neues? Welche Möglichkeiten bieten die neuen innovativen Werkstoffe?' Bei aller Liebe zu Neuentwicklungen, sieht André Hiemann durchaus Grenzen: "Die Praxis fordert eher die kostengünstige Keramik! Daher muß auch die Frage nach der Optimierung der vielen bestehenden Materialien gestellt werden."

 

Fazit:

Die Materialica in München zeigte, daß das Potential der Keramik bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Vom exotischen Nischenprodukt entwickelt sich die Technische Keramik zum innovativen Trouble-shooter. Und aus dem reinen Hardware-Lieferanten wird der langfristig orientierte System-Partner.

Hans-Jürgen Bittermann

 

Tabelle: Keramik als Konstruktions-Werkstoff: Werkstoffempfehlungen.

Anforderungen Werkstoffe
mechanische Festigkeit Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, ZTA (Zirkonia toughend Alumina, Zirkoniumoxid/Aluminiumoxid), Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid
Verschleißfestigkeit Borkarbid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, ZTA, Zirkoniumoxid
Prall- und Stoßbelastung Zirkoniumoxid, ZTA, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid
Hochtemperaturbelastung

< 1400°C

> 1400°C

 Siliziumkarbid, Aluminiumoxid

Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid
Gleitsysteme, geschlossene Tribosysteme Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Alumiumoxid, Zirkoniumoxid
Temperaturschock Aluminiumtitanat, Siliziumkarbid, Mullit, Siliziumnitrid

Biokompatible Keramiken

Im Fokus der laufenden Entwicklungen stehen unter anderem keramische Hüftgelenkprothesen. Die Erfolgsgeschichte dieser biologisch inerten Hochleistungskeramiken begann im Jahre 1974, seitdem haben sich solche Kugelköpfe mit über 2 Millionen Implantationen zur weltweit erfolgreichsten keramischen Prothesenkomponente entwickelt. Den neuesten Stand der Entwicklung repräsentieren Kugelköpfe und Pfannen auf der Basis hochreiner Aluminiumoxid- sowie Kugelköpfe aus Zirkoniumoxidkeramiken. Diese Neuentwicklungen verfügen über ein optimiertes Gefüge, dessen Belastbarkeitsgrenze um ein Vielfaches über dem der physiologischen Extrembelastungen liegt.

Zu den großen Herausforderungen der Werkstoff-Forschung gehört heute die Entwicklung bioaktiver, knochenfreundlicher Keramiken. Ein entscheidender Durchbruch gelang mit der Entwicklung bioaktiver Hydroxylapatit-Keramiken, die als Granulat oder als Formkörper erfolgreich zur Rekonstruktion von Knochendefekten eingesetzt werden.
Veröffentlicht in VDI-nachrichten am 22.10.1999
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03. Juli 2003

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