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Bild1: Der Steatitring dichtet ein Sensorsystem gegen aggressive Chemikalien ab
Bild 2: Cordierit-Stäbchen mit exakt definierter Wärmeausdehnung als Bauteil eines Temperaturreglers
Bild 3: Steatit-Gehäuse, temperaturbestängig und formstabil für Temperaturregler in Haushaltsgeräten
High-Tech im Aschenputtelgewand
Sie sehen wirklich nicht aufregend aus, das unscheinbare graue Stäbchen oder der mickrige weiße Ring. Und doch sind es High-Tech-Produkte, die höchsten physikalischen und chemischen Ansprüchen genügen und die maßgeschneidert sind für die unterschiedlichsten Bedürfnisse des Konstrukteurs.
Bleiben wir einmal bei dem grauen Stäbchen aus Cordierit. Es ist Teil eines Temperaturreglers und schaltet die Stromzufuhr einer Herdplatte gradgenau ein oder aus. Das physikalische Prinzip ist die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Keramik und Metall. Um die gradgenaue Regelung zu realisieren, muss die Wärmeausdehnung der Werkstoffe natürlich genauestens definiert sein und das ist bei dem Cordierit-Stäbchen der Fall. Damit das gelingt, müssen Qualität der verwendeten Rohstoffe sowie die Gleichmäßigkeit des Produktionsprozesses genauestens gesteuert werden. Die kleinste Schwankung würde die Funktionsfähigkeit des Temperaturreglers beeinträchtigen.
Oder der weiße Ring aus Steatit. Er tut Dienst in einem Sensor und dichtet das System gegen aggressive Chemikalien ab. Dafür muss das Materialgefüge eine ganz bestimmte Dichte haben, nicht zu hoch, nicht zu gering. Und das bei einem Produkt, das seine endgültige Form und Gefügecharakteristik erst nach dem Sintern erhält. Viele Parameter müssen präzise geregelt werden, um die gewünschten Produkteigenschaften zu erzielen.
Anforderungen und Eigenschaften
Die Anforderungen an keramische Produkte sind vielfältig und individuell. Immer wieder sind es andere Höchstleistungen die dem Werkstoff „Keramik“ – für die unterschiedlichsten Anwendungen – abverlangt werden: Temperaturwechselbeständigkeit, Festigkeit, Oberflächengüte oder unterschiedliche elektrische Eigenschaften, um nur einige zu nennen. In diesem Sinne ist die Technische Keramik die „eierlegende Wollmilchsau“ unter den Werkstoffen.
Noch ein Beispiel: Da wäre der Reglersockel, der in nahezu jedem Haushaltsgerät dafür sorgt, dass es genauso ein- oder ausgeschaltet wird, wie es der Konstrukteur vorgesehen hat. Nun haben es keramische Bauteile an sich, dass beim Fertigungsprozess immer wieder winzige Abbröckelungen entstehen können – durch Gratbildung beim Pressen, Ausbrüche bei der Weichbearbeitung, Bohr- und Schleifstaub und, und, und. Diese Rückstände könnten bei der Verarbeitung der Bauteile als kleine Ursache verheerende Auswirkungen bis zu Funktionsunfähigkeit der fertigen Geräte haben. Es erfordert schon einigen Aufwand und einiges Know-how, um diese unvermeidlichen Rückstände 100%ig zu eleminieren. Das fängt beim Ausblasen an und hört bei besonderen Verfahren beim Sintern noch lange nicht auf.
Aber das ist noch nicht alles, was diesem Reglersockel abverlangt wird. Da er mit elektrischen Kontakten und Schaltelementen versehen wird, muss er noch zwei Voraussetzungen erfüllen: Er muss hochfest sein, um dem hohen Druck bei der automatischen Montage von Metallteilen standzuhalten. Es müssen engste Maßtoleranzen eingehalten werden, um die vollautomatische Fertigung zu ermöglichen. Kleinste Maßabweichungen können zum Stillstand der Montageanlagen führen, der Super-Gau für jeden Fertigungsleiter.
Hohe Festigkeit ist eine Grundeigenschaft des Werkstoffes „Keramik“. Es gibt jedoch Unterschiede in der Ausprägung dieser Eigenschaft, und die hängt wiederum von verschiedenen Parametern ab:
- der Qualität
- der verwendeten Rohstoffe,
- den Mischungsverhältnissen der Rohstoffe,
- den Aufbereitungsverfahren des Pressgranulats,
- den Weiterverarbeitungsverfahren (Pressen, Sintern).
Die Kunst der Fertigung
Nicht von ungefähr nennt man die Keramiker scherzhaft Alchimisten und die Herstellungsverfahren sind die bestgehüteten Geheimnisse der Keramik-Anbieter.
Kaum weniger schwierig ist die Einhaltung der häufig geforderten engen Maßtoleranzen. Für Metaller oder Kunststoffler ist das kein Problem, denn das geformte Teil ist in der Regel in den Abmessungen fixiert. Für den Keramiker dagegen wartet nach der Formgebung immer ein spannendes Abenteuer, hat er doch permanent mit dem Problem der Schwindung beim Sintern zu kämpfen. Die kann bis zu 15% der Rohteilmaße betragen, und trotzdem werden ohne Nachbearbeitung die Zeichnungsmaße +/-1,5% verlässlich eingehalten. Auch hier braucht es eine Menge Wissen und Erfahrung in allen Bereichen des Fertigungsprozesses, um diese Ergebnisse zu erzielen.
Werden noch engere Maßtoleranzen verlangt, kommt man an der Nachbearbeitung nicht vorbei. Durch Schleifen und Läppen können Toleranzen im Hundertstelmillimeter-Bereich sowie feinste Oberflächengüten erreicht werden. Diese Arbeitsgänge verteuern ein Bauteil allerdings erheblich.
Es gibt noch viele Aspekte in der keramischen Fertigung, die auf den ersten Blick völlig harmlos ausschauen und deren Handhabung doch enormes Ingenieurs-Know-how und industrielles Können voraussetzt. Darum ist die Bezeichnung „High-Tech-Keramik“ für Produkte keineswegs übertrieben. Und der Lohn all der Mühe sind Bauteile, die in ihren Eigenschaften in vielerlei Hinsicht unerreicht sind – und auch in der Zukunft bleiben.
Ein Satz noch zur geometrischen Gestalt keramischer Bauteile, die schnell erklärt ist: immer mit dem Platz, der am Ende des Konstruktionsprozesses übrig bleibt, muss der Keramik vorlieb nehmen. Das führt häufig zu kniffligen Aufgabenstellungen, denn eine Begrenzung haben keramische Werkstoffe: sie sind nicht beliebig in jeder Form herstellbar.
