Keramische Werkstücke hochpräzise bearbeiten

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Um allerdings das mittels Hartbearbeitung abzutragende Volumen zu reduzieren, wird häufig die Kombination von Grün- oder Weißbearbeitung, nachfolgender Sinterung und abschließender Hartbearbeitung gewählt. Auf diesem Wege können Bearbeitungszeit und Kosten reduziert werden.

Oberflächengüten von Ra = < 0,2 µm sind problemlos erreichbar

Ein wichtiger Aspekt ist die Bearbeitungstechnik. In den letzten Jahren hat sich die Ultrasonic-Technik so weit entwickelt, dass sie heutzutage als das bevorzugte Verfahren für die Bearbeitung von Keramik gilt. Ultrasonic bedeutet Zerspanen mit überlagerter Ultraschallunterstützung.

Dazu wird der inverse Piezo-Effekt genutzt. Im Aktor wird eine Vibration generiert, die das rotierende Werkzeug in eine zusätzliche oszillierende Schwingung in axialer Richtung versetzt.

Ultrasonic-Keramikbearbeitung schont spröden Werkstoff

Mit einer Frequenz von 20 kHz und Drehzahlen bis 42000 min—1 schlagen Diamantwerkzeuge Material aus der Keramikoberfläche heraus. Dieser Prozess ist gerade für spröde Werkstoffe sehr schonend, die Mikrorissbildung an der Oberfläche wird reduziert.

Bewährt haben sich flexible Fünf-Achs-Bearbeitungszentren, bei denen Diamantwerkzeuge mit einer oszillierenden Ultraschall-Spindel ins Bauteil geführt werden (Bilder 1 und 2). Diese ermöglichen das Fräsen, Schleifen und Bohren mit sehr hohen Genauigkeiten. Es lassen sich Oberflächengüten von Ra < 0,2 µm, Bohrungen mit D = 0,5 mm und Standardtoleranzen von ± 0,01 µm erzielen. Noch engere Toleranzen sind möglich.

Ultraschallunterstützung ermöglicht das Bearbeiten von spröden und harten Werkstoffen

Die Ultrasonic-Technologie ermöglicht die wirtschaftliche Bearbeitung von spröden und harten Werkstoffen. Keramische Hochleistungswerkstoffe wie Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumnitrid und Siliciumcarbid lassen sich ebenso bearbeiten wie Gläser und Glaskeramiken. Damit erschließt sich eine Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten im Maschinenbau, der Medizin- und Lasertechnik sowie in Bereichen der Optik.

Ein wichtiger Entwicklungsschritt für die schnellere Bereitstellung von keramischen Bauteilen in geringen Stückzahlen (Losgröße 1 bis 100) ist eine weitere Verfahrenskombination: Die Herstellung der Halbzeuge erfolgt bereits endkonturnah (near net shape) durch geeignete Verfahren wie das Vakuum-Heißgießen oder den Niederdruck-Spritzguss. Bohrungen lassen sich dann bevorzugt mittels Weißbearbeitung einbringen und die Präzisionsbearbeitung erfolgt nach dem abgeschlossenen Sinterprozess.

Durch derartige Technologien und die zusätzliche Möglichkeit, die geforderten Bauteileigenschaften durch Anpassung und Optimierung der keramischen Werkstoffe einzustellen, bieten sich zukünftig deutlich bessere Möglichkeiten, keramische Komponenten für innovative Produkte in kurzer Zeit und zu vertretbaren Kosten bereitzustellen.

Prof. Dr. Wolfgang Kollenberg ist Geschäftsführer der Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH in 53359 Rheinbach.

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