Keramik gewinnt als Konsturktionswerkstoff an Bedeutung

Gezielter Einsatz an problematischen Stellen /
Vorteile: Härte und Korrosionsbeständigkeit

von Frankfurter Allgemeine Zeitung Nr. 182, 9. August 1999, Seite 18

abe. Frankfurt, 8. August. Obwohl es kaum einen Zweig der Technik gibt, in dem Keramikprodukte nicht angewendet werden, führt das vielseitige Material eher eine Existenz im Verborgenen. Eingebaut in Maschinen und Anlagen übernehmen Bauteile der Sparte "Technische Keramik" ihre Funktion oftmals in Schlüsselpositionen, zum Beispiel als Isolator, Messfühler, Dichtscheibe, Ventilstößel oder Fadenführer. Bei allen Anwendungen ist eine gewisse Festigkeit naturgemäß immer gefordert, aber deshalb allein würde man Keramiken in der Konstruktion nicht einsetzen. Es seien stets zusätzliche Eigenschaften wie Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit, thermische und elektrische Isolierfähigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und geringe Dichte, die allein oder in Kombination den Einsatz sinnvoll machen, heißt es vom Unternehmen Tekowe GmbH, Neuwied, tätig auf dem Gebiet des Verschleißschutzes.

Ein Beispiel: In der Produktion eines Wellpappeherstellers kann es an einer bestimmten Stelle der Fertigung aufgrund der durchlaufenden Wellpappe beinahe jede Woche zum Verschleiß eines Gleitbauteils kommen. Tekowe entwickelte ein Verbundwerkstoff-Element, bei dem in einen Stahlträger Keramikplättchen integriert wurden. An der kritischen Stelle läuft nun die Wellpappe nicht mehr gegen Stahl, sondern gegen Keramik. Die Standzeit des Bauteils wurde erhöht, die Stillstandzeiten der Maschinen gesenkt, die Betriebskosten insgesamt reduziert.

Im Vergleich zu anderen Konstruktionswerkstoffen spielen technische Keramiken quantitativ eher eine kleine Rolle, gleichwohl haben sie sich ihren Anteil im Markt erobert. Die Branchenzahlen spiegeln es wider: 1997 setzen die in diesem Segment tätigen Unternehmen in Deutschland etwa eine Milliarde DM um, mit einer leichten Steigerung von 1997 auf 1998 um gut 1,5 %; die Exportquote beträgt 45 %. Die Zahl der Beschäftigten liegt konstant bei ungefähr 7000. Der Weltmarkt für technische Keramik wird vom Verband der Keramischen Industrie e.V. (Keramverband) auf mehr als 20 Milliarden DM beziffert, etwa 15 % des gesamten Keramikmarktes. Im Verband sind nach eigenen Angaben rund drei Viertel der auf diesem Gebiet tätigen Unternehmen organisiert.

Das Spektrum technischer Anwendung von Keramik ist breit. Im Maschinenbau sind es vorwiegend Gleit-, Dicht- und Lagerelemente, Düsen, Ventile sowie Sensoren und Aktoren. In Textilmaschinen wurde die Haltbarkeit von verschiedenen Führungselementen deutlich verbessert. In der Verfahrenstechnik eignet sich die Keramik als Katalysatorträger, als Füllkörper für Kolonnen sowie als Filter und Membranen. Die Hochtemperaturtechnik nutzt Keramiken als feuerfest Steine, Tragrollen, Brennhilfsmittel und Brennerdüsen. Die Elektronikindustrie baut auf Piezokeramiken, Kondensatoren und Magnetkeramiken, während die klassische Elektrotechnik keramische Bauteile in Hochspannungsisolatoren sowie in der Schalt- und Sicherungstechnik kennt. In allen diesen Fällen bewirkt der Einsatz keramischer Werkstoffe Vorteile gegenüber Metall, oder eine Lösung ohne Keramiken ist überhaupt nicht möglich.

"Fortschritte der vergangenen Jahre sind unter anderem durch Verbesserung der Werkstoffe erzielt worden", sagt Martin Hartmann vom Informationszentrum Technische Keramik und führt Aluminiumoxid an. Bei diesem seien beispielsweise aufgrund besserer Pulver und Prozessführung die technischen Eigenschaften des Werkstoffs gesteigert worden. Bisher ist es möglich, durch Pressen von Aluminiumoxid Werkstücke in der maximalen Größe von 30 mal 30 Zentimeter herzustellen; durch künftige Rohstoffverbesserung sind größere Teile denkbar.

Der Maschinenbau sei ein Bereich der Technik, in dem Keramik in den vergangenen Jahren besondere Zuwächse gewonnen habe, sagt Hartmann. die Verbreitung als Konstruktionswerkstoff habe dort deutlich zugenommen. Zum einen führt er das auf die verbesserten Werkstoffe zurück, aber auch auf eine wachsende Bekanntheit von Ingenieurkeramik. Zudem würden die Anforderungen an Bauteile immer höher, etwa in der Automobilindustrie. Immer mehr Bauteile dort sollen leicht und verschleißarm sein. Und die Kosten? Auf den ersten Blick kann ein Bauteil aus keramischem Material teurer sein als das vergleichbare Element aus Stahl, sagt Hartmann. Betrachte man hingegen wegen der besseren Haltbarkeit die Stillstand- und Rüstzeiten einer Maschinen, da der Vergleich oftmals positiv für den Werkstoff aus. Allerdings sei eine keramikgerechte Konstruktion notwendig.

Ralf Diedel vom Forschungsinstitut für anorganische Werkstoffe GmbH in Höhr-Grenzhausen sieht ein Marktpotential in der Entwicklung von Werkstoffverbunden, also in Bauteilen, in denen die Keramik gezielt an besonders problematischen Stellen verwendet wird. Denn in Zukunft gehe es darum, gerade die teuren Werkstoffe, wie Keramiken, gezielter einzusetzen: Dabei werden sie je nach Eigenschaften in ein gemeinsames Bauteil integriert; Keramik etwa an den verschleißbedingten Problemzonen, sonst bleibt die Konstruktion aus Metall bestehen. Weitere Bestrebungen zielen darauf, die Bruchzähigkeit einer Keramik zu erhöhen, damit sie bei einer Biegebelastung nicht zu schnell bricht. Auch wird versucht, die Korngröße des Ausgangspulvers zu verringern, um eine noch intensivere Packung und ein noch besseres Versintern zu erreichen. Die Keramik wird dichter und damit fester.

In der Ingenieurausbildung müsse das Material stärker berücksichtigt werden, heißt es vom Keramverband. Dort liegen die Schwerpunkte oftmals bei Konstruktionswerkstoffen auf Metall- oder Kunststoffbasis. Wie diese hat Keramik Vor- und Nachteile, mit denen man umgehen lernen muß, um sie in Konstruktionen entsprechend zu berücksichtigen.

03. Juli 2003