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Bedeutung von Keramikbauteilen in der Technik

Keramische Werkstoffe zeichnen sich durch besondere Materialeigenschaften aus. Sie sind in nahezu allen Bereichen von technischen Anwendungen zu finden. Besonders wenn die thermo-mechanischen Anforderungen sehr hoch sind. Darüber hinaus zeichnen die Keramik Eigenschaften wie Bioverträglichkeit und chemische Beständigkeit aus.

Bei Anwendungen mit Temperaturen über 300 °C und der gleichzeitigen Forderung nach elektrisch isolierenden oder nichtmagnetischen Eigenschaften ist Keramik der einzig einsetzbare Werkstoff. Kunststoffe sind zwar elektrische Isolatoren, jedoch können sie der thermischen Belastung nicht standhalten. Metallische Werkstoffe sind in erster Linie Leiter und kommen daher als isolierender Werkstoff nicht in Betracht. Darüber hinaus stoßen sie bei hohen Temperaturen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre schnell an ihre Grenzen, denn sie verlieren massiv an Festigkeit und neigen zur Korrosion. Keramik dagegen bleibt bei Temperaturen weit über 1600 °C chemisch und mechanisch beständig.

Eine Gegenüberstellung von Stahl und Keramikwerkstoffen finden Sie auf unserer Homepage hier.

Konkrete Anwendungsbeispiele für 3D-gedruckte Keramik

Das Verfahren von Hilgenberg-Ceramics GmbH & Co. KG eignet sich nicht nur für Prototyping, sondern auch für kleinere und mittlere Serien. Im Folgenden sind Beispielanwendungen aufgeführt, sowie die für die Anwendung erforderlichen Eigenschaften der Keramik:

• Medizintechnik
  Keramische Eigenschaft: Biokompatibilität, Sterilisierbarkeit
  Beispiel: Endoskopspitzen

• Maschinenbau
  Keramische Eigenschaft: Verschleißfestigkeit
  Beispiel: Handlingsysteme, z. B. Greiferbacken

• Otoplastik
  Keramische Eigenschaft: Bio-Verträglichkeit, Ästhetik
  Beispiel: Hörhilfen oder Gehörschutz

• Elektrotechnik
  Keramische Eigenschaft: elektrischer Isolator, nicht magnetisch
  Beispiel: Spulenträger

• Radiotechnik
  Keramische Eigenschaft: Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen
  Beispiel: Abdeckung für Radiotechnik und Antennen

• Sensortechnik
  Keramische Eigenschaft: chemische und thermische Beständigkeit
  Beispiel: Sensoreinkapselung z. B. Thermoelementschutzrohr

• Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
  Keramische Eigenschaft: Durchlässigkeit für Magnetfelder
  Beispiel: Probenhalter

• Analysetechnik
  Keramische Eigenschaft: Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Tiegel und Proben-Container für thermische Analysen

• Hochtemperatur Heizsystem
  Keramische Eigenschaft: elektr. Isolator, Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Hochtemperaturheizer bis über 1200°C

• Wärmetauscher
  Keramische Eigenschaft: relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von Al₂O₃, Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Wärmetauschkörper in der chemischen Synthese im Labormaßstab für aggressive Medien, wie HF und HCl

• Fluidreaktoren, Mischsysteme
  Keramische Eigenschaft: Abriebfestigkeit, chemische Beständigkeit
  Beispiel: Systeme zum Vermischen von abrasiven Medien und chemisch aggressiven Fluiden

• Plasmadüse
  Keramische Eigenschaft: Materialbeständigkeit, elektr. Isolation
  Beispiel: Düsen für Plasmabehandlung

• Dentalindustrie
  Keramische Eigenschaft: Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Brennhilfsmittel wie Sintergestelle für den Sintervorgang der Dentalkeramiken

Technologie

Als Ausgangsstoff wird eine Suspensionsflüssigkeit bestehend aus einem lichtempfindlichen Harz und dem Keramikpulver verwendet. Wie auch bei mittlerweile gängigem Kunststoff 3D-Druck wird eine UV-Lichtquelle in Form von DLP (Digital Light Processing) dazu genutzt, um das Harz punktuell auszuhärten. Schicht für Schicht entsteht so der Grünling, wie er im Fachjargon bezeichnet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das 3D-gedruckte Bauteil ein Komposit, bei dem die Keramikpartikel in einem durch das UV-Licht ausgehärteten Kunststoff eingebettet sind.

Erst bei der nachfolgenden thermischen Behandlung wird aus dem Komposit ein dichter keramischer Werkstoff. Dazu wird im ersten Schritt der Kunststoff durch langsames Aufheizen vollständig herausgebrannt und das Bauteil anschließend bei über 1600 °C gesintert. Erst danach erhält das Bauteil die finalen Eigenschaften der Hochleistungskeramik.