Keramikseminar 2024

nächster Termin: 03./04. September 2024, Anmeldungen sind ab sofort möglich.

Programm:

1. Silicatkeramik
   Für diese Werkstoffgruppe, zu der Porzellan, Cordierit und Steatit zählt, werden natürliche Rohstoffe eingesetzt. Technisches Porzellan enthält Zusätze von Aluminiumoxid, wodurch die Festigkeit von Hochspannungsisolatoren gesteigert wird. Cordierit zeichnet sich durch eine geringe thermische Dehnung aus und wird beispielsweise als Katalysatorträger im PKW eingesetzt. Steatit weist eine gute elektrische Isolation auf und findet sich in nahezu allen Haushaltsgeräten.
   Ausgehend von natürlichen und synthetischen Rohstoffen werden die einzelnen Werkstoffe im Detail vorgestellt, ihre Eigenschaften und Unterschiede werden aufgezeigt.
2. Oxidkeramik
   Aluminiumoxid wird aus Aluminiumhydroxid, einem Zwischenprodukt bei der Aluminiumherstellung, gewonnen und ist daher in großen Mengen verfügbar. Im Bereich der technischen Anwendungen ist Aluminiumoxid aufgrund der hohen Härte und der guten elektrischen Isolation weit verbreitet. Zirconiumoxid wurde in den 1980er Jahren entwickelt und zeichnet sich durch seine Festigkeit und Zähigkeit aus, die durch Phasenumwandlungen hervorgerufen wird. Bekannteste Anwendung ist der Zahnersatz.
   Herstellung und Eigenschaften dieser Werkstoffe werden ausgehend von den Rohstoffen bis zu den gesinterten Bauteilen erläutert.
3. Nichtoxidkeramik
   Sand und Kohle reagieren bei Temperaturen zwischen 1700°C und 2500°C zu Siliciumcarbid, das wegen seiner sehr hohen Härte als Schleifmittel eingesetzt wird. Durch seine weiteren Eigenschaften, wie geringe Dichte, hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe thermische Dehnung und gute Korrosionsbeständigkeit, wird es als keramischer Werkstoffe in verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Nitridkeramiken wie Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid wurden erste in den letzten Jahrzehnten entwickelt und zählen zu den jüngsten keramischen Werkstoffen. Aluminiumnitrid zeigt eine ungewöhnliche Eigenschaftskombination: hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger elektrischer Isolation – wodurch der Einsatz in der Elektronik möglich ist.
   Auch in dieser Werkstoffgruppe wird der Herstellungszyklus vom Rohstoff bis zum Produkt erklärt und die Eigenschaften gegenüber den vorher beleuchteten Keramiken erläutert.
4. Feuerfestkeramik
   Keramiken können im Gegensatz zu Metallen und Kunststoffen extrem hohe Temperaturen aushalten. Aus diesem Grund werden sie seit Jahrtausenden in der Metallurgie eingesetzt. Heute werden sie auch in der Müllverbrennung oder in der Energieerzeugung verwendet um hohe Temperaturen zu isolieren. Hierzu müssen Feuerfestwerkstoffe einige Unterschiede gegenüber sogenannten Strukturkeramiken besitzen.
   Die Gruppe der Feuerfestkeramiken wird vorgestellt, der Unterschied gegenüber Strukturkeramiken wird aufgezeigt und die resultierenden Eigenschaften werden erklärt.
5. Werkstoffe im Vergleich
   Die verschiedenen Keramiken unterscheiden sich zum Teil fundamental: Aluminiumoxid ist ein guter elektrischer Isolator, SiC ist ein guter elektrischer Leiter. Porzellan zerbricht bekanntermaßen schnell, aus Zirconiumoxid können Spiralfedern hergestellt werden.
   Nachdem zuvor die Grundlagen der 3 Werkstoffgruppen vermittelt wurden, werden jetzt die unterschiedlichen Materialeigenschaften vergleichend vorgestellt.
6. Prüfung und Charakterisierung von Keramiken
   Die chemische Zusammensetzung und die kristallinen bzw. amorphen Bestandteile bestimmen die Eigenschaften der keramischen Werkstoffe. Um sie zu charakterisieren stehen verschiedene analytische Verfahren zur Verfügung. Die wichtigsten Verfahren werden vorgestellt, der Bezug zwischen Messwerten und Materialeigenschaften wird erklärt.
   Keramische Eigenschaften wie Härte, Festigkeit, Porosität, Wärmeleitfähigkeit oder thermische Dehnung sind die wichtigen Kennwerte, um die richtigen Materialien für ihren Einsatz auszuwählen. Da einige physikalische Eigenschaften in den Werkstoffdatenblättern der Hersteller angegeben werden, ist es für den Anwender wichtig diese fundiert bewerten und hinterfragen zu können. Es werden die unterschiedlichen Prüfungen vorgestellt und der Bezug zwischen Messwerten und Eigenschaften vermittelt.
7. Formgebung und Sintern
   Die Herstellung keramischer Bauteile erfolgt immer nach einer ähnlichen Prozesskette: Rohstoffe und Additive werden gemischt, die Masse in Form gebracht und der Formkörper abschließend gesintert. Von zentraler Bedeutung ist das Formgebungsverfahren. Hier stehen Pressen, Extrudieren, Spritzgießen und viele andere Verfahren zur Verfügung. Durch den Sinterprozess bilden Rohstoffpartikeln Feststoffbrücken und schließlich einen stabilen Verbund aus. Die Sintertemperatur richtet sich nach dem Rohstoff und schwankt zwischen 1.200°C und >2.000°C. Nitride und Carbide müssen unter einer Sauerstoff freien Atmosphäre gesintert werden.
8. Additive Fertigung keramischer Bauteile
   Die Additive Fertigung – auch als 3D-Druck bekannt – hat auch in der Keramikfertigung Einzug gehalten. Es stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung (Photopolymerisation, Binder Jetting, Material Extrusion, Material Jetting, 3D-Siebdruck), die sowohl für die Herstellung von Einzelteilen, als auch für die Serienfertigung genutzt werden können. Hervorzuheben ist, dass mit der Additiven Fertigung Geometrien gefertigt werden können, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich sind. Somit eröffnet die Additive Fertigung neue Gestaltungsmöglichkeiten und Anwendungen.
9. Anwendungsbeispiele keramischer Bauteile
   Aus der breiten Palette unterschiedlichster Anwendung keramischer Bauteile in der Technik werden Beispiele vorgestellt: Automobil, Maschinenbau, Medizintechnik, Elektronik, Energietechnik.