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WZR Ceramic Solutions

Keramiken erhöhen nachhaltig die Standzeit

| Autor / Redakteur: Wolfgang Kollenberg / Dietmar Kuhn

Bild 1: Durch Standzeitverlängerungen von Feuerfestkeramiken (im Bild eine REM/EDX-Aufnahme) lässt sich die Wirtschaftlichkeit von Hochtemperaturanlagen deutlich steigern.
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Bild 1: Durch Standzeitverlängerungen von Feuerfestkeramiken (im Bild eine REM/EDX-Aufnahme) lässt sich die Wirtschaftlichkeit von Hochtemperaturanlagen deutlich steigern. (Bild: WZR)

Bei der Entwicklung neuer Keramikwerkstoffe und verfahrenstechnischer Optimierungen setzt ein Hersteller zunehmend auf Aspekte der Nachhaltigkeit. Dies bedeutet für alle Anwendungen, in denen diese Werkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise im Ofenbau oder der Bauteilbeschichtung, eine gesteigerte Standzeit.

Viele innovative Produktentwicklungen nutzen heute die Vorteile technischer Keramiken. Allerdings sind gerade die Rohstoffe für Hochleistungskeramiken recht teuer – sie enthalten mitunter Metalloxide der seltenen Erden – und ihre Herstellung ist bislang relativ energieintensiv. Aus diesen Gründen legt das Dienstleistungs- und Entwickluntgsunternehmen WZR den Fokus verstärkt auf die Entwicklung neuer, nachhaltiger Technologien, Prozesse und Produkte. Ein weites Feld, auf dem WZR schon seit geraumer Zeit große Fortschritte in Sachen Nachhaltigkeit erzielt, ist die Verlängerung der Standzeit keramischer Feuerfestauskleidungen (Bild 1) für Hochtemperaturanwendungen in Müllverbrennungsanlagen, Ofenbau, Gießereitechnik und Stahlerzeugung. Allein durch die Werkstoffauswahl und optimierte Zustellkonzepte kann hier bei reduziertem Materialeinsatz die Wirtschaftlichkeit und Effizienz der Anlagen deutlich verbessert werden. Zugleich lässt sich die Menge des entsorgungspflichtigen Ausbruchs minimieren, was einen wertvollen Beitrag zum Umweltschutz leistet.

In die gleiche Richtung wirkt die Erhöhung des Verschleißschutzes metallischer Bauteile durch die Applikation keramischer Beschichtungen. In diesem Bereich können beispielsweise wegen der dünnen Sol-Gel-Schichten schon mit sehr geringem Materialeinsatz deutliche Standzeitverlängerungen erzielt werden. Es handelt sich hierbei um oxidkeramische und keramisch-organische Coatings mit nanokristallinem Gefüge und Dicken von etwa 1 µm, die im WZR beispielsweise auf Stahlplatten aufgetragen werden, um ihnen eine erhöhte Härte und extreme Kratzfestigkeit zu verleihen.

Keramik – der Werkstoff zur Produktion energiesparender Bauteile

Ein unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit besonders innovatives Tätigkeitsfeld des WZR ist die Realisierung energiesparender Bauteile für Hochtemperaturanwendungen aus PT-Keramiken (Bild 2). Solche papiertechnischen Keramiken entstehen, indem der Zellulosemasse ein keramischer Rohstoff (zum Beispiel Al2O3) zugemischt wird. Durch den hohen Anteil anorganischer Füllstoffe nimmt das Papier die Eigenschaften eines keramischen Grünlings an, lässt sich aber dennoch zunächst wie normales Papier umformen und prägen. Nach einem von WZR patentierten Verfahren können daraus Leichtbauplatten durch Verbinden von Platten und Stegen hergestellt werden; alternativ lassen sich durch das Verbinden mehrerer gewellter Lagen tragfähige Wellpappenstrukturen realisieren. Nach thermischer Behandlung und Sinterung entstehen daraus rein keramische Leichtbau-Strukturen mit extrem geringer Wärmekapazität und sehr hoher Steifigkeit, die sich hervorragend eignen als Konstruktionselemente für Hochtemperaturanwendungen bis 1600 °C. Keramische Leichtbaustrukturen auf der Basis von PT-Keramiken ermöglichen unter anderem die Herstellung innovativer Brennunterlagen mit einer um etwa 80 % reduzierten Masse. Damit lassen sich der Energieaufwand beim Brennen von Keramiken signifikant reduzieren, die Abkühlzeit verkürzen und die Produktivität steigern.

Der 3D-Druck gilt als materialarmes additives Schichtbauverfahren

Als überaus vielsprechendes und Ressourcen schonendes Verfahren zur Herstellung keramischer Leichtbaukonstruktionen hat das WZR auch den 3D-Druck etabliert (Bild 3). Mit diesem materialsparenden additiven Schichtbauverfahren lassen sich sowohl hochkomplexe als auch belastungsoptimierte Geometrien aus technischer Keramik realisieren, bei denen in den gering belasteten Bereichen Material reduziert wird – etwa durch bionische Porenstrukturen –, ohne dabei die Belastbarkeit der Gesamtkomponente zu beeinträchtigen (Bild 4). Mit Einsatz einer speziellen Simulationssoftware ist es möglich, basierend auf einer FEM-Berechnung der im Belastungsfall auftretenden Spannungen, die Porosität entsprechend zu optimieren und damit Masse einzusparen. Bei keinem anderen Formgebungsverfahren ist der Materialeinsatz so effektiv wie beim 3D-Druck. Lediglich das für das Bauteil benötigte Material wird verbraucht und das nicht im Bauteil gebundene Pulver kann weiterverwendet werden. Das schont die Ressourcen, sagen die Werkstoffspezialisten von WZR.

Auf der Suche nach der optimalen Rückführung von Produktionsabfällen

Ressourcenschonend zeigt sich auch das jüngste Projekt des WZR. Es beschäftigt sich mit der Rückführung von Produktionsabfällen aus dem Bereich der Hochleistungskeramik in die Wertschöpfungskette. Hier ist das Unternehmen derzeit dabei, die Stoffströme zu analysieren, die Abfallmengen zu erfassen und entsprechende Verwendungskonzepte für die industrielle Praxis zu erarbeiten.

Standzeitverbesserungen, Verschleißschutz, Leichtbaukonstruktionen, Oberflächentechnik oder auch optimierte Kreislaufkonzepte – die genannten Beispiele aus der Arbeit des WZR lassen nur erahnen, wie groß das Nachhaltigkeitspotenzial ist, das in der Entwicklung neuer Keramikwerkstoffe und verfahrenstechnischer Optimierungen steckt. Die WZR-Experten sehen hier ein sehr großes Betätigungsfeld, denn im weiten Bereich der technischen Keramik wird die Umsetzung spürbarer Nachhaltigkeitseffekte für viele Unternehmen der Branche zukünftig ein ganz entscheidender Wettbewerbsfaktor sein.

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