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Werkstoff-Familie meistert das Extreme

Kooperationen bahnen den Weg für Innovationen
Werkstoff-Familie meistert das Extreme

An der richtigen Stelle eingesetzt, können technische Keramiken die Herstell- und Betriebskosten von Produkten drastisch senken oder neue Funktionen ermöglichen. Dieses Ziel erreichen Mittelständler durch Entwicklungs-Kooperationen.

Dr. Michael Zins ist Geschäftsführer der Technologie-Agentur für Struktur-Keramik Task GmbH in Aachen

Keramische Bauteile bekleiden meist eine Schlüsselfunktion in Maschinen und Geräten. Dabei sind die Kosten im Vergleich zu Metallkomponenten sehr hoch. Wird das System richtig abgestimmt, können die vermeintlich zu teuren Komponenten die Herstell- oder Betriebskosten jedoch erheblich reduzieren. Häufig machen sie die spezielle Funktion einer Baugruppe erst möglich oder erweitern das Anwendungsfeld der Maschine. Der Umsatz durch die Vermarktung von innovativen Geräten und Maschinen, in die solche Komponenten eingesetzt sind, übersteigt den der Keramikhersteller mehrfach.
Welches Potential in technischen Keramiken steckt, verdeutlicht das Beispiel der Schneidstoffe. In der spanenden Bearbeitung unterschiedlichster Materialien vom Edelstahl bis zum Faserverbundwerkstoff steigt die Nachfrage nach verschleißfesten Werkzeugen. Die Schnittgeschwindigkeit von Schnellarbeitsstählen liegt zur Zeit bei etwa 40 m/min. Beschichtete Hartmetalle erreichen immerhin schon 200 m/min. Keramische Schneidstoffe hingegen erweitern den Bereich der möglichen Schnittgeschwindigkeiten auf über 1000 m/min. Außerdem können sie hochharte Werkstoffe mit geometrisch bestimmter Schneide zerspanen, die bisher nur durch Schleifen zu bearbeiten waren. Auch die umweltschonende und kostensparende Trockenbearbeitung läßt sich in vielen Fällen realisieren.
Die Bedeutung dieser Werkstoffe für die Industrie darf nicht deswegen unterschätzt werden, weil die Ende der 80er Jahre für Keramiken prognostizierte zweistellige jährliche Wachstumsrate nicht erreicht wird. Denn bei der Weiterentwicklung wurden Fehler gemacht. Förderungen erhielt besonders die werkstofferzeugende Industrie. Vielfach entstanden dadurch hochgezüchtete Keramiken und Herstellverfahren. Die immer wieder neu begonnene Optimierung der Materialien und ihrer Herstellmethoden verzögerte die Umsetzung der Ergebnisse in Bauteile. Es fehlte die Bereitschaft, nur so gut wie technisch erforderlich und wirtschaftlich verträglich zu entwickeln.
Um schnell umsetzbare Ergebnissen zu erzielen, müssen die Anwender an der Entwicklung beteiligt sein. Nur sie können das Anforderungsprofil angemessen definieren und verhindern, daß zu hohe Hürden aufgebaut werden. Beispielsweise lassen sich Biokeramiken aus Aluminiumoxid mit einem Reinheitsgrad von 99,9 % herstellen, die eine hervorragende Festigkeit aufweisen. Für den Einsatz als Verschleißschutzkeramik genügt aber ein Reinheitsgrad von 92 %, der mit einem weit geringeren Fertigungsaufwand verbunden ist.
Schnitt-Geschwindigkeiten über 1000 m/min möglich
Eine Erhebung des Zentrums für Europäische Wirtschaftsforschung bei über 50000 kleinen und mittelständischen Unternehmen hat gezeigt, daß 49 % dieser Betriebe Produkt- oder Prozeßinnovationen betrieben haben. Mit ihrer Flexibilität und Praxisorientierung sind sie besonders geeignet, neue Anwendungen mit technischer Keramik zu entwickeln. Allerdings müssen sich die Anwender im klaren sein, daß allein durch die Substitution einer vorhandenen Komponente durch ein Keramikbauteil noch keine wirtschaftliche Lösung entsteht. Der Erfolg stellt sich erst durch eine Systemanpassung ein, welche die Vorzüge des Werkstoffs gezielt zur Geltung bringt. Entwicklungsarbeit ist erforderlich, die jedoch zeitlich überschaubar bleiben muß. Speziell für kleine und mittelständische Betriebe empfiehlt es sich daher, externe Partner einzuschalten, die F&E-Projekte prüfen, vorbereiten und betreuen. Zielsetzung ist nicht die Entwicklung neuer keramischer Materialien, sondern die konsequente, anwendungsorientierte Nutzung der verfügbaren Werkstoffe. Auch Erkenntnisse aus bereits auf dem Markt befindlichen Bauteilen und Entwicklungen sollten genutzt werden, um die Entwicklungskosten zu begrenzen.
Daß Umsetzungskonzepte funktionieren, zeigt seit Jahren der Textilmaschinenbau. Die Verarbeitung von Chemiefasern stellt teilweise extreme Anforderungen an die Maschinenelemente. Sie müssen großen, lokal begrenzten Flächenbelastungen und stark abrasiven oder korrosiven Medien standhalten. Dies führte zur Entwicklung keramischer Bauteile, die heute in großen Stückzahlen produziert und eingesetzt werden. Anwendungsbeispiele sind Fadenführer, Friktionsscheiben und Spinndüsen. Ihre hervorstechende Eigenschaft ist Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum. Die keramischen Materialien zeigen ein sehr gutes Verschleißverhalten. Stillstandszeiten und notwendige Wartung können reduziert werden.
Analog zur Weiterentwicklung der Werkstoffe wurde der Einsatz von technischer Keramik auf Produkte wie Scheren und Messer unterschiedlichster Art ausgeweitet. Speziell die verstärkten, relativ bruchzähen Zirkonoxide und die Nichtoxid-Keramiken bilden die Basis für Innovationen. In diesem Marktsegment konnten deutsche Unternehmen bisher eine gute Position behaupten, weil sowohl renommierte Forschungsinstitute der Textil- und Werkstofftechnik als auch die Keramikindustrie, Textilindustrie und Hersteller von Textilmaschinen im Land etabliert sind.
Die hier geleistete Zusammenarbeit ist ein Modell für Kooperationen in anderen Bereichen. Die Unternehmen des Maschinenbaus sollten sich informieren, welche Möglichkeiten die vorhandenen Technologien bieten. Die Know-how-Träger müssen die nutzbaren Eigenschaften keramischer Werkstoffe und existierender Produkte vorstellen, damit Chancen zur Innovation nicht verspielt werden.
Es existiert eine Vielzahl von Kooperationsansätzen. Zum Beispiel sind keramische Wärmetauscher von großem Interesse für Feuerungs- und Anlagenbauer. Besonders hervorzuheben sind außerdem Schneidplatten, Verschleißschutzelemente und Biokeramiken. Verschiedenste Firmen interessieren sich dafür, keramische Verschleißschutzelemente in die von ihnen angebotenen Anlagen zu integrieren, um durch höhere Qualität im internationalen Wettbewerb bestehen zu können.
Um solche Systemvorteile nutzen zu können, wurden bereits komplexe keramische Komponenten wie Kugellager entwickelt. Sie können beispielsweise eingesetzt werden, um extrem schnell laufende Spindeln zu realisieren. In der chemischen Verfahrenstechnik oder der Lebensmittelindustrie weisen diese Lager bei hohen Temperaturen und extremen Umgebungsbedingungen erhebliche Systemvorteile auf.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 19
Ausgabe
19.2021
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