Grünteilbearbeitung bietet Zugang zur Keramik-Kleinserienkonstruktion

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Keine geometrische Ähnlichkeit 
zwischen Grünling und Endteil

Die so gefertigten Grünlinge haben in diesem Zustand meist noch keine Ähnlichkeit mit dem fertigen Bauteil. Die eigentliche Bauteilform entsteht in den nachfolgenden spanenden Bearbeitungsprozessen, zum Beispiel beim Bohren, Drehen oder Fräsen. Als Bearbeitungswerkzeuge kommen trotz des kreideweichen Zustands der Grünlinge nur Hartmetall- oder PKD-Werkzeuge in Betracht, weil die einzelnen keramischen Partikel in der weichen Bindermatrix schon die typische Härte und damit Abrasivität besitzen.

Rohlinge für rotationssymmetrische Teile sind gepresste Vollzylinder und Rohre. Plattenförmige Bauteilgeometrien werden aus gepressten rechteckigen Vorformlingen herausgearbeitet.

Eine Besonderheit stellt die Fertigung von kleinen Rohren, Buchsen sowie von Kleinteilen mit komplexeren Innenkonturen dar, zum Beispiel von Düsen. Bei diesen Keramikteilen wird der Rohling auf einen entsprechend vorgeformten Dorn oder Kern gepresst, der die Innenkontur bereits fertig abbildet.

Diese Variante stößt allerdings dann an Grenzen, wenn bei den zu fertigenden Innengeometrien Hinterschneidungen auftreten: Die Entformbarkeit des Presskerns muss immer gewährleistet sein.

Mehr Flexibilität bei Gestaltung der Bauteilgeometrie

Die moderne Grünteilbearbeitung ermöglicht die Fertigung sehr komplexer und filigraner Strukturen, die bei einer schleifenden Bearbeitung gesinterter Keramikteile gar nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar sind. So lassen sich damit nicht nur Freiformflächen, sondern auch Innengewinde bis M1,6 fertigen – im Gegensatz zur Hartschleifbearbeitung, bei der mangels Verfügbarkeit von Diamantschleifwerkzeugen nur minimale Innengewinde bis etwa M4 möglich sind.

Ein weiterer Vorteil ist die Fertigungsflexibilität. Ohne großen Aufwand können beispielsweise noch während der Fertigung Änderungswünsche des Kunden am Bauteil berücksichtigt werden. Gleiches gilt für notwendige Anpassungen an Prototypen oder für Optimierungen nach einer Musterserie. Dazu sind lediglich Modifikationen des CAD/CAM-Datensatzes erforderlich.

Ein Beispiel dafür ist die Konstruktion und Fertigung einer verschleißfesten Spannbacke aus der Hochleistungskeramik Y-TZP für ein Drahtführungssystem: Die Konstruktion und Fertigung von Spritzgieß- oder Trockenpresswerkzeugen rechnet sich bei einer gewünschten Stückzahl von 50 bis 100 Bauteilen je Backentyp nicht. Erst bei deutlich größeren Stückzahlen lohnt es sich, in diese Werkzeuge zu investieren.

Jeder Backentyp hat eine andere Größe

Jeder Backentyp hat eine andere Größe und wird aus einem anderen keramischen Werkstoff (Al₂O₃, ZrO₂) gefertigt. Die unterschiedlichen Schwindungen der einzelnen Werkstoffe würden eine endkonturnahe Fertigung mit definierten Formwerkzeugen erheblich verteuern: Jede Keramik bräuchte ein spezielles Formwerkzeug. Im Gegensatz dazu bietet die mechanische Grünteilbearbeitung viel Freiraum in Bezug auf Stückzahl und keramischen Werkstoff.

Bei Zahnradpumpen zur Klein- und Mikrodosierung, die unter anderem in der chemischen Verfahrenstechnik, der Pharma- und Lebensmittelindustrie benötigt werden, sind die Kriterien Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit besonders wichtig. Die geforderte hohe Zuverlässigkeit bedingt das hochfeste und bruchzähe ZrO₂ Y-TZP bei den Aggregaten in der Anwendung anstelle des chemisch beständigeren, aber spröden Al₂O₃.

Eine genaue Abstimmung der Grünkörpergeometrie auf die Hartbearbeitung nach dem Sintern ist notwendig, um die Baugruppe kostenoptimiert zu fertigen. Die Grünteilbearbeitung ermöglicht dabei, dass die Aufmaße zum Hartschleifen auf ein Minimum beschränkt bleiben.

Erhebliche Zeit- und Kosteneinsparung im Vergleich zu Stahlwerkzeugen

Ein entscheidender Vorteil der Grünteilbearbeitung von kaltisostatisch gepressten Rohlingen sind die niedrigen Kosten beim Pressen. Eine Gummiform liegt meist vor. Ist das nicht der Fall, lassen sich die benötigten Formwerkzeuge mit minimalem Kostenaufwand herstellen – unter 100 Euro im Vergleich zu etwa 2500 bis rund 5000 Euro für ein uniaxiales Presswerkzeug – und das in kürzester Zeit. So dauert die Werkzeugfertigung nur wenige Tage im Vergleich zu mehreren Wochen bei komplexen Stahlwerkzeugen. Gleiches gilt für die metallischen Kerne zum Pressen rohrförmiger Geometrien. Ein zeitaufwendiger Werkzeugbau entfällt.

Darüber hinaus setzt das isostatische Pressverfahren Maßstäbe in Bezug auf Werkstoffqualität: Die hydrostatische Krafteinleitung führt zu einer gleichmäßigen Druckverteilung im gesamten Pressling. Dadurch werden die Pressgranulate zu einem homogenen Grünkörper verdichtet. Der entstandene Pressling zeigt auch nach dem Sintern keine die mechanischen Kennwerte beeinflussenden Fehlstellen oder Defekte im Gefüge. Das spiegelt wiederum die hohe Sinterdichte und exzellenten mechanischen Kenngrößen wider.

Fortschritte der Grünteilbearbeitung 
ermöglichen filigranere Strukturen

Diese Werkstoffqualität liefert die Basis dafür, dass bei Kleinserien im Keramikbereich die Bauteilfertigung über die Grünteilbearbeitung anderen Prozessketten wirtschaftlich überlegen ist, zum Beispiel den Prozessketten, die auf Verfahren wie dem uniaxialen Trockenpressen oder dem Keramikspritzguss (CIM) basieren. Dazu kommen technische Weiterentwicklungen, die den Prozess der Grünteilbearbeitung qualitativ voranbringen. So gibt es verbesserte Aufbereitungstechniken für keramische Massen. Das Ergebnis sind sinteraktivere Pulver. Außerdem werden die Werkzeugmaschinen immer leistungsfähiger und die Bearbeitungswerkzeuge immer besser. Das zeigt sich zum Beispiel in exakteren Schneidengeometrien und beschichteten Werkzeugen, die längere Standzeiten ermöglichen.

Diese Entwicklungen schlagen sich in prozessbestimmenden Kenngrößen nieder, zum Beispiel in der Kantenstabilität der Presslinge sowie in der Minimierung von Schleifaufmaßen. Letztendlich führen die Fortschritte bei der Grünteilbearbeitung zu immer filigraneren Bauteilstrukturen und höherer Maßgenauigkeit. Im Dialog mit dem Anwender lassen sich so anforderungsgerechte Bauteile aus Hochleistungskeramik fertigen, die eine sichere Funktionalität des Endproduktes gewährleisten.

* Dr. Torsten Weiß ist geschäftsführender Gesellschafter bei der BCE Special Ceramics GmbH in 68229 Mannheim; Dr. Torsten Prescher ist dort für die Anwendungstechnik und den technischen Vertrieb verantwortlich.

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