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Wie kann anwendungsorientierte Forschung die Marktchancen von Hochleistungskeramik erhöhen?

Die generellen Vorzüge moderner Keramiken allein reichen nicht, ihr Einsatzpotential auszuschöpfen. Es gilt, sich mit neuen Materialeigenschaften vertraut zu machen, die Konstruktionserfahrungen zu erweitern und das Preis-Leistungs-Verhältnis zu verbessern.

Zu den Charakteristika der Hochleistungskeramik gehören auch solche, die – wie insbesondere die Sprödigkeit – extreme Anforderungen an die Eigenschaftskonstanz des Werkstoffs und an die Präzision des Bauteils stellen. Allerdings verfügt man dafür über wesentlich weniger Erfahrung als bei traditionellen Konstruktionswerkstoffen, so daß noch eher Risikobedenken auftreten. Konservative Schutzhaltungen bedingen wiederum hohe Kosten von Werkstoff und Bauteil, die eine Umsetzung des Potentials erschweren.

Deshalb sind es wesentliche Aufgaben der anwendungsorientierten Forschung, gezielt die Herstellungs-, Formgebungs- und Bearbeitungsverfahren zu optimieren, neue Einsatzbereiche zu erschließen sowie Methoden zur Charakterisierung der spezifischen Eigenschaften und des mechanischen Verhaltens von moderner Keramik unter Betriebsbedingungen zu entwickeln. Im folgenden geben wir dafür Beispiele.

Optimierung von Herstellungsschritten

Mitentscheidend für den Erfolg eines Werkstoffs ist, daß die Herstellungsverfahren im industriellen Maßstab sicher beherrscht werden. Im Gegensatz zu Metallen, die im allgemeinen erschmolzen werden, wird die Hochleistungskeramik – wie in den voraufgehenden Beiträgen dargelegt – aus einem feinen Pulver aufgebaut. Beim Sintern schrumpft der Preßling fast um die Hälfte seines Volumens; einmal entstandene Fehler sind nicht mehr zu beheben, und Formkorrekturen am Produkt wie etwa eine Oberflächenbearbeitung durch Diamantwerkzeuge gehören zu den teuersten Schritten bei der Herstellung.

Mit der Entwicklung der Computertechnik ist es jedoch immer attraktiver geworden, industrielle Herstellungsprozesse oder Fertigungsschritte aller Art numerisch zu simulieren. Auch das Pressen und Sintern keramischer Bauteile kann so optimiert werden.

Das numerische Werkzeug hierfür ist die Methode der finiten Elemente. Der Formkörper wird in einem interaktiven Vorlaufprogramm in kleine gedachte Untereinheiten aufgeteilt, von denen jede noch eine Vielzahl von Pulverteilchen umfassen würde. Das Hauptprogramm sorgt dann dafür, daß bei der Verdichtung und Verformung des simulierten Körpers die Elemente immer miteinander im mechanischen Gleichgewicht stehen und daß ihre Verschiebungen und Verformungen stets kompatibel sind, daß die einzelnen Elemente sich also nicht im Raum überlappen.

Außerdem werden Gesetze benötigt, die das mechanische Verhalten des Pulverkörpers beim Pressen und später beim Sintern beschreiben. Sie zu entwickeln ist eine wichtige Aufgabe. Anregungen und Beiträge dazu liefern die Bodenmechanik, die das Verhalten von körnigen Stoffen wie etwa Sand beherrschen muß, die Werkstoffwissenschaften und die technische Mechanik.

Das Beispiel der Herstellung einer Reibahle aus Hartmetall (siehe Kasten unten) illustriert den Vorteil numerischer Simulation bei der Neuentwicklung von Bauteilen und den dazu erforderlichen Werkzeugen. Eine Simulation kann auch Schwachstellen im Herstellungsprozeß aufdecken, die in einer Versuchsserie nicht unbedingt auffielen, in der anschließenden Großserie aber einen mehr oder minder hohen Ausschuß von ungenauen oder durch Eigenspannungen rißbehafteten oder -gefährdeten Bauteilen verursachen würden. Für die Akzeptanz keramischer Werkstoffe ist es wesentlich, daß solche Probleme sicher vermieden werden.

Eigenschaftsfestlegung

Fehler in einer Größenordnung von 100 Mikrometern können ein Keramikbauteil bereits bei relativ geringen mechanischen Beanspruchungen versagen lassen. Deshalb sollte man den Herstellungsprozeß so präzise (aber dennoch kostengünstig) steuern können, daß nur Fehler unter einer bestimmten kritischen Größe auftreten. Dafür bedarf es ausgeklügelter Bewertungskonzepte, die auch die technische Festigkeit des Bauteils oder dessen vorgesehene Einsatzdauer berücksichtigen.

Mit den Methoden der Bruchmechanik läßt sich zeigen, daß bei sprödem Werkstoffverhalten – einer in weiten Einsatzbereichen dominierenden Eigenschaft von keramischen Stoffen – die technische Festigkeit einer Probe oder eines Bauteils von der Größe der anfänglich vorhandenen Fehler abhängt. Am gefährlichsten ist ein Riß senkrecht zur Beanspruchung. Je größer er ist, desto geringer ist die Spannung, die genügt, einen Bruch auszulösen.

Ausmaß, Lage und Form von Fehlerstellen bestimmen mithin die Streuung der Festigkeit eines Bauteils. Sie ist am besten durch eine Weibull-Statistik zu erfassen, die auf der Hypothese beruht, daß ein Versagen an der größten Fehlerstelle – sozusagen im schwächsten Kettenglied – auftritt. Trägt man in einem Diagramm die prozentualen Bruchwahrscheinlichkeiten von Proben über den bruchauslösenden Spannungen doppeltlogarithmisch auf, ergibt sich ein linearer Zusammenhang. Die Steigung der Geraden ist ein Maß für die Streuung der Meßwerte. Einen optimal gesteuerten Herstellungsprozeß – möglichst geringe Streuung und hohe mittlere Festigkeit – kennzeichnet eine steile Gerade in einem derartigen Diagramm.

Meßreihen von Proben aus Alumi-niumoxid aus Vier-Punkt-Biege- und Zugversuchen unterschiedlicher Art veranschaulichen, daß die Festigkeit vom beanspruchten Probenvolumen abhängt (Bild 1). Das ist auch statistisch zu erwarten – in einem großen Bauteil findet sich mit höherer Wahrscheinlichkeit ein großer Fehler als in einem kleinen. Für den Übergang von Labor-Prototypen zum Serienprodukt ist dieser Befund freilich sehr wichtig.

Außerdem zeigt Bild 1 einige bestimmten Meßpunkten zugeordnete raster-elektronenmikroskopische Aufnahmen von Bruchursprüngen. Solche fraktographischen Untersuchungen, bei denen man Fehler aufspürt, identifiziert und vermißt, liefern wichtige Hinweise für die Verbesserung der Produktionsverfahren.

Außer solchen Methoden, die das Kurzzeitverhalten keramischer Werkstoffe erfassen, hat man weitere, auch anspruchsvollere Bewertungskonzepte entwickelt. Sie ermöglichen, die Auslegung von Bauteilen für den Langzeiteinsatz, bei hohen Temperaturen und in korrosiven Umgebungen zu optimieren.

Erweiterung des Einsatzspektrums

Daß verschiedenste Werkzeuge aus Hochleistungskeramik bereits ihre festen Märkte erobert haben, wurde in den voraufgehenden Beiträgen bereits erwähnt. Welchen extremen Anforderungsprofilen dabei in manchen Fällen genügt werden muß, läßt sich an Beschichtungen von Preßformen für asphärische Linsen veranschaulichen.

In der optischen Industrie ist seit langem bekannt, daß mit solchen Linsen gravierende Abbildungsfehler zu vermeiden sind. Gefertigt werden konnten sie jedoch nur einzeln auf Maschinen, die eine komplizierte Steuerung des Schleif- und Poliervorgangs zulassen. Dieser Aufwand lohnte sich nur für sehr hochwertige Systeme.

Andere, einfachere Formgebungsverfahren genügten bisher den hohen Ansprüchen der Präzisionsoptik nicht. Die durch sogenanntes Blankpressen von wiedererwärmten feuerpolierten Glasstäben produzierten asphärischen Linsen konnten lediglich für Beleuchtungssysteme genutzt werden.

Anfang der achtziger Jahre aber setzte die amerikanische Firma Eastman Kodak in ihrer Disc-Camera ein Objektiv ein, dessen kleine Linsen – darunter eine Asphäre – in einem Heißpreßverfahren hergestellt waren. Daraufhin begann weltweit eine stürmische Entwicklung, an der sich insbesondere japanische Unternehmen beteiligten.

Um die Technologie der zähplastischen Formgebung von Linsen hoher optischer Qualität auch der deutschen Industrie zu erschließen, wurde am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg ein von einer industriellen Arbeitsgemeinschaft gesteuertes Forschungsprojekt durchgeführt. Die Hauptaufgaben bestanden darin, eine Heißpreßanlage zu entwerfen und zu bauen, für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignete keramikbeschichtete Preßstempel mit hoher Standzeit zu entwickeln und die Parameter der Prozeßführung festzulegen.

Am schwierigsten war, die unerläßliche hohe Formgenauigkeit und geringe Rauhtiefe der heißgeformten Linsen-oberflächen zu erzielen; die Toleranzen betragen lediglich Bruchteile der Wellenlängen des sichtbaren Lichts (0,4 Mikrometer). Das war nur mit extremer Sauberkeit und Fehlerfreiheit zu erreichen. Prozeßtechnisch war auch zu berücksichtigen, daß die hohen Arbeitstemperaturen (bis zu 800 Grad Celsius) einerseits die Form der Werkzeuge verändern, andererseits Eigenspannungen in der geformten Linse verursachen können, die sie verziehen.

Mit interferometrischen Verfahren kann man die Qualität der gepreßten Flächen kontrollieren (Bild 2 links und Mitte). Als Beschichtungsmaterial der Formwerkzeuge (Bild 2 rechts) haben sich insbesondere Aluminiumnitrid und Titannitrid sowie deren Mischverbindungen bewährt, die aus der Dampfphase abgeschieden wurden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1993, Seite 117
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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