Die Fertigungsindustrie setzt seit vielen Jahren auf Metall. Metalle können jedoch mitunter problematisch sein. Sie neigen dazu, sich bei extremer Hitze zu verziehen, korrodieren in bestimmten Umgebungen und leiten Strom. Hier setzt die keramische CNC-Bearbeitung an. Sie schließt die Lücke, indem sie die Konstruktion und Fertigung hochkomplexer Bauteile mit extrem hoher Haltbarkeit ermöglicht.
Diese Bearbeitungstechnologie rückt Designkonzepte in greifbare Nähe. Wie funktioniert die Keramikbearbeitung? Für welche Materialien eignet sie sich? Und warum findet sie in der Hightech-Fertigung so schnell Anwendung? In diesem Beitrag beantworten wir diese Fragen und helfen Ihnen bei der Entscheidung, ob Keramikbearbeitung für Sie infrage kommt. CNC-Bearbeitung ist geeignet für Ihr nächstes anspruchsvolles Projekt.
Was ist Keramik-CNC-Bearbeitung?
Diese Technologie bezeichnet die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) von Sinterkeramik. Sie ist die einzige Bearbeitungstechnologie, bei der der Materialabtrag für Konstruktionszwecke ausschließlich durch Sprödbruch und anschließendes Schleifen erfolgt. Dies unterscheidet sich grundlegend von Metallen (Aluminium oder Stahl), bei denen der Materialabtrag auch durch weiche (und plastische) Verformung erfolgen kann.
Der Hauptunterschied zwischen der Bearbeitung von Metallen und Keramik liegt in den Eigenschaften der verwendeten Materialien. Metalle sind duktil und durchlaufen beim Bearbeiten verschiedene Verformungszustände. Keramik hingegen ist spröde und bricht, wenn der Bearbeitungsprozess nicht präzise ausgeführt wird. Daher muss der Bearbeitungsprozess äußerst sorgfältig und genau erfolgen, um das Werkstück nicht zu beschädigen.
Wie funktioniert der Keramikbearbeitungsprozess?
Aufgrund der Eigenschaften von Keramik muss der Bearbeitungsprozess im Vergleich zur Bearbeitung von Keramik angepasst werden. Die CNC-Bearbeitung muss von Metallen auf Keramik umgestellt werden, und jeder Prozessschritt erfordert sorgfältige Ausführung, insbesondere im Hinblick auf die Sprödigkeit des Zielmaterials sowie die Form des zu bearbeitenden Werkstücks.
CAD/CAM-Konstruktion
Im CAD-Verfahren (Computer-Aided Design) beginnt der Prozess. Zunächst wird ein 3D-Modell des zu fertigenden Bauteils erstellt, das mit dem gewünschten Bearbeitungsverfahren hergestellt werden soll. Insbesondere bei Keramik sind sorgfältige Konstruktionsmerkmale erforderlich, da beispielsweise scharfe Innenwinkel als Spannungskonzentrationspunkte wirken und zum Bruch des Werkstücks führen können. Im Anschluss an die Konstruktion erstellt die CNC-Software (Computer-Aided Manufacturing, CAM) den G-Code, der die CNC-Maschine steuert.
Spezialisierte Werkstückspannung
Eine der größten Herausforderungen beim Bearbeitungsprozess ist die Fixierung des Werkstücks. Bei der Metallbearbeitung kann man beispielsweise einen Stahlblock in einen stabilen Schraubstock einspannen. Bei einem Keramikblock hingegen besteht die Gefahr, dass dieser bricht, bevor der Fräser ihn überhaupt berührt.
Bei der Keramikbearbeitung verwenden Maschinenbediener speziell entwickelte Spannvorrichtungen, wie zum Beispiel:
- Vakuumvorrichtungen: Luftdrucksysteme, die dazu dienen, flache Teile sanft zu halten.
- Weiche Spannbacken: Speziell entwickelte Klemmen, die den Druck gleichmäßig über das Werkstück verteilen.
- Fixierung mit Wachs oder Thermoplast: Das Teil wird mit einem niedrigschmelzenden Klebstoff auf einer Platte befestigt.
Überlegungen zur Werkzeugausstattung
Man kann ein Material nicht mit einem weicheren Material bearbeiten. Da technische Keramik härter ist als selbst der gehärtetste Stahl und Hartmetall, sind herkömmliche Schneidwerkzeuge ungeeignet. Die CNC-Bearbeitung von Keramik erfolgt fast ausschließlich mit diamantbeschichteten Werkzeugen oder CBN-Fräsern. Diese Werkzeuge gehören zu den härtesten Materialien der Welt und können Keramikmaterialien abtragen, ohne sofort abzustumpfen.
Kühlmittel und Schmierung
Hitze ist eine der Hauptursachen für thermische Schockversagen bei Keramikbauteilen. Sie entsteht durch die Reibung an der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück. Daher sind kontinuierliche und robuste Kühlsysteme unerlässlich. Die Flutkühlung ist das primäre Mittel zur Wärmeabfuhr. Sie trägt außerdem dazu bei, den abrasiven Keramikstaub (Schlamm) zu entfernen, der Werkzeuge verstopfen und die Maschine durch Überhitzung aufgrund langsam laufender Staubabstreifer beschädigen kann.
Arten von Keramik für die CNC-Bearbeitung
Es gibt viele Keramikarten mit unterschiedlichen Eigenschaften, die die Bearbeitungsstrategie und die Leistung des Endprodukts maßgeblich beeinflussen können. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht einiger der am häufigsten verwendeten Keramiken in der CNC-Fertigung.
Aluminiumoxid (Aluminiumoxid)
Aluminiumoxid zählt zu den am häufigsten verwendeten technischen Keramiken und vereint Eigenschaften wie hohe Härte, hervorragende elektrische Isolationsfähigkeit und chemische Beständigkeit. In Kombination mit seiner Wirtschaftlichkeit wird es daher häufig für elektrische Isolatoren, langlebige Verschleißauskleidungen und Bauteile in Halbleitern eingesetzt.
Zirkonia (Zirkoniumdioxid)
Bei Bedarf zeichnet sich Zirkonoxid durch seine Zähigkeit aus. Von allen technischen Keramiken besitzt es die höchste Bruchzähigkeit und ist somit am rissbeständigsten. Darüber hinaus ähnelt seine Wärmeausdehnung der von Stahl, wodurch sich Zirkonoxid nahtlos in Metallkonstruktionen integrieren lässt. Aufgrund seiner Langlebigkeit wird dieses Material häufig im medizinischen Bereich eingesetzt.
Siliziumkarbid (SiC)
Die herausragende Eigenschaft von Siliziumkarbid ist, dass es im Gegensatz zu den meisten vergleichbaren Werkstoffen seine Festigkeit auch bei extremer Hitze beibehält und von Natur aus eine extrem hohe Härte aufweist. Diese Festigkeit macht Siliziumkarbid ideal für die Luft- und Raumfahrtindustrie, die extrem temperaturbeständige und elastische Dichtungen sowie Hochtemperaturlager benötigt.
Siliziumnitrid (Si3N4)
Da Siliziumnitrid außergewöhnlich fest ist, ist es leichter als Stahl. Zudem ist es beständig gegen extreme Temperaturwechsel, wodurch es sich besonders gut für Systeme mit schnellen Heiz- und Kühlzyklen eignet. Dieses Material findet insbesondere in der Automobilindustrie sowie in Systemen zum Transport und zur Verarbeitung von geschmolzenen Metallen Anwendung.
Macor (bearbeitbare Glaskeramik)
Macor ist in der Keramikfamilie einzigartig. Im Gegensatz zu den oben genannten Materialien, die Diamantwerkzeuge und spezielle Schleifverfahren erfordern, lässt sich Macor mit herkömmlichen HSS-Werkzeugen und Hartmetallwerkzeugen bearbeiten. Es handelt sich um eine schnell bearbeitbare Glaskeramik für die Prototypenfertigung, mit der sich komplexe Geometrien ohne die hohen Kosten des Diamantschleifens realisieren lassen. Allerdings erreicht sie nicht die extrem hohe Verschleißfestigkeit von Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.
Schlüsseltechniken bei der CNC-Bearbeitung von Keramik
Um bei der Bearbeitung von Keramik präzise Ergebnisse zu erzielen, muss das richtige Bearbeitungsverfahren ausgewählt werden. Im Folgenden werden die wichtigsten Techniken in diesem Bereich vorgestellt.
CNC-Schleifen
Sinterkeramiken werden üblicherweise durch Schleifen bearbeitet, dem gängigsten Verfahren. Dabei wird Material mit einer rotierenden, mit Diamantkörnern besetzten Schleifscheibe langsam abgetragen. Dieses Verfahren ermöglicht extrem enge Toleranzen (im Mikrometerbereich) und erzielt eine spiegelglatte Oberfläche. Es wird vorwiegend bei flachen Oberflächen oder zylindrischen Formen angewendet.
CNC Fräsen
Wenn ein Bauteil komplexe 3D-Konturen, Taschen oder Nuten erfordert, kommt CNC-Fräsen zum Einsatz, bei dem diamantbesetzte Schaftfräser verwendet werden. Die Vorgehensweise beinhaltet in der Regel hohe Drehzahlen (U/min) und geringe Vorschübe, um Material schonend abzutragen, anstatt tiefe Schnitte auszuführen.
CNC Bohren
Beim Bohren von Löchern in Keramik besteht eine Gefahr. Mit einem herkömmlichen Bohrer kann das Material während des Bohrvorgangs ausbrechen oder splittern. Beim CNC-Bohren von Keramik verlangsamen unterbrochene Bohrzyklen – bei denen der Bohrer in das Material eindringt, sich zurückzieht und erneut eindringt – den Bohrvorgang. Beim Bohren größerer Löcher ist das Kernbohren (Entfernen nur der Kontur des zu entfernenden Materials) besser geeignet als der Versuch, das gesamte Material im Inneren zu entfernen.
Ultraschallbearbeitung
Dies ist die neueste Methode, die die Keramikfertigung revolutioniert. Eine Ultraschallspindel versetzt das Schneidwerkzeug während ihrer Rotation in hochfrequente Schwingungen (rund 20,000 Mal pro Sekunde). Dieses Hochfrequenzschneiden erhöht die Bruchfähigkeit der Keramik und reduziert den Kraftaufwand. Das Ergebnis: höhere Schnittgeschwindigkeit bei geringerem Werkzeugverschleiß und weniger Ausbrüchen an der Keramikkante.
Vorteile der Keramik-CNC-Bearbeitung
Warum sollte man sich die Mühe machen, ein so komplexes Material zu bearbeiten? Die Antwort ist einfach: Außergewöhnliche Eigenschaften.
Extreme Härte und Verschleißfestigkeit
In abrasiven Umgebungen sind Keramikteile Metallteilen vorzuziehen. Bei Industriemaschinen, die mit Sand, Schlamm oder Rohmineralien arbeiten, kann der Einsatz von Keramikteilen anstelle von Stahl die Lebensdauer der Maschine um mehr als das Zehnfache verlängern und die Wartungsstillstandszeiten deutlich reduzieren.
Hochtemperaturstabilität
Bei Strahltriebwerken oder in der Hochgeschwindigkeitsfertigung herrschen extreme Temperaturen. Metalle erweichen oder kriechen üblicherweise bei hohen Temperaturen. Bestimmte Keramiken (Siliciumcarbid, Siliciumnitrid) hingegen erweichen selbst bei Temperaturen über 1000 °C nicht und bleiben fest und formstabil.
Chemische Inertheit
Keramik ist formstabil, rostet nicht und reagiert selten mit starken Säuren und/oder Laugen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die Keramikbearbeitung in der chemischen Industrie sowie in der Medizintechnik von entscheidender Bedeutung, da die Materialien dort rein bleiben und nicht mit biologischen Flüssigkeiten oder aggressiven Reinigungsmitteln reagieren müssen.
Elektrische Isolierung
Nach der Bearbeitung können Keramiken in der Elektronik und in Hochspannungsanwendungen eingesetzt werden, wo eine hohe strukturelle Stabilität erforderlich ist und elektrische Leitfähigkeit unerwünscht ist. Sie sind hervorragende elektrische Isolatoren und können als Kühlkörper dienen, was für bestimmte elektronische Anwendungen wie Halbleitergehäuse und Schaltungssubstrate eine wichtige Eigenschaft darstellt.
Herausforderungen bei der Keramik-CNC-Bearbeitung
Trotz der vielen Vorteile stellen die zahlreichen spezifischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Keramikherstellung eine hohe Markteintrittsbarriere dar.
Sprödigkeit
Keramik ist aufgrund ihrer geringen Duktilität eine ihrer größten Schwächen. Wird zu viel Druck ausgeübt oder eine Vorrichtung zu fest angezogen, zerbricht das Werkstück. In diesem Bereich ist kein Platz für Fehler – entsteht ein Riss, landet das Werkstück in der Regel im Schrott.
Werkzeugverschleiß und -kosten
Diamantwerkzeuge sind teuer, und bei Keramik ist der Preis noch höher, da diese Materialien abrasiver sind als Aluminium und Stahl. Dieser schnelle Werkzeugverschleiß erhöht die Teilekosten aufgrund der hohen Verschleißkosten.
Längere Bearbeitungszeiten
Die Bearbeitung von Keramik erfordert Zeit und Geduld. Um Thermoschocks und Oberflächenbeschädigungen zu vermeiden, müssen die Vorschubgeschwindigkeiten gering gehalten werden. Dauert die Bearbeitung eines Aluminiumteils etwa 10 Minuten, kann die Bearbeitung von Sinterkeramik Stunden in Anspruch nehmen.
Kosten
Aufgrund der Kosten für Rohmaterialien, Spezialausrüstung und längere Bearbeitungszeiten sind CNC-gefertigte Keramikteile in der Regel teurer als ihre Pendants aus Metall. Diese Kosten amortisieren sich jedoch häufig durch die längere Lebensdauer und die besseren Leistungseigenschaften der Teile.
Anwendungen der Keramik-CNC-Bearbeitung
Die einzigartigen Eigenschaften technischer Keramik haben sie in zahlreichen Hightech-Branchen unverzichtbar gemacht.
- Luft- und Raumfahrt:Die Bauteile müssen extremer Hitze und hohem Druck standhalten. Keramik wird für Turbinenschaufeln, Hitzeschilde und spezielle Sensoren zur Überwachung der Motorleistung verwendet.
- Medizinisch:Biokompatibilität ist entscheidend. Zirkonoxid wird häufig für Hüft- und Kniegelenksersatz verwendet, da es im Körper nicht abgebaut wird. Keramik wird außerdem für chirurgische Instrumente und ästhetischen Zahnersatz eingesetzt.
- Elektronik:Da Geräte immer kleiner und leistungsfähiger werden, ist ein effektives Wärmemanagement unerlässlich. Keramische Kühlkörper und Isolatoren werden zum Schutz empfindlicher Mikrochips und in den Fertigungsanlagen zur Halbleiterherstellung (Waferhandling) eingesetzt.
- Automobil:Hochleistungsfahrzeuge nutzen Bremsscheiben aus Keramikverbundwerkstoff für überlegene Bremsleistung und Wärmeableitung. Keramik findet sich auch in verschiedenen Motorensensoren und -komponenten, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
Den richtigen Weg für Ihr Projekt wählen
Bei Anwendungen, bei denen Standardmaterialien nicht mithalten können, bietet die CNC-Bearbeitung von Keramik unübertroffene Leistung, Langlebigkeit und Präzision. Das Verfahren birgt jedoch auch Herausforderungen wie hohe Kosten, Sprödigkeit und längere Lieferzeiten. Das fertige Produkt ist ein Bauteil, das selbst extremsten Bedingungen standhält.
Für alle, die bereit sind, Risiken einzugehen, um die Maßstäbe für Produktleistung zu übertreffen, kann Keramik die Lösung sein. Um Sie bei der Bewältigung der Herausforderungen im Bereich Keramik zu unterstützen, kontaktieren Sie bitte unser Team. Wir erstellen Ihnen gerne ein Angebot und entwickeln gemeinsam mit Ihnen Ihr nächstes Projekt, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Q: Ist Keramik schwieriger zu bearbeiten als Stahl?
A: Absolut, ja. Stahl ist zwar hart, aber duktil, wodurch sein Schneidverhalten einigermaßen vorhersehbar ist. Keramik hingegen ist spröde und abrasiv. Daher benötigen wir beim Schleifen von Keramikmaterialien niedrigere Drehzahlen und hochspezialisierte Diamantwerkzeuge, um das Material kontrolliert zu brechen und ein Zersplittern zu vermeiden.
Q: Kann man für Keramik handelsübliche CNC-Maschinen verwenden?
A: Die Antwort lautet Ja, aber mit Risiken. Die Trockenbearbeitung von Keramik erzeugt feinen, abrasiven Staub. Bei der Nassbearbeitung entsteht eine Schlammmischung, die herkömmliche CNC-Maschinen noch stärker beschädigen kann. Aus diesem Grund sind CNC-Maschinen für die Keramikbearbeitung mit verbesserten Staubabsaugungs- und -rückführungssystemen ausgestattet.
Q: Welche Keramikart lässt sich am einfachsten formen?
A: Am einfachsten zu bearbeiten sind Macor (bearbeitbare Glaskeramik) und Bornitrid. Sie lassen sich mit herkömmlichen HSS- und Hartmetallwerkzeugen formen, wodurch das Diamantschleifen entfällt – ein Vorteil bei der Prototypenfertigung.
Q: Warum ist die Bearbeitung von Keramik so kostspielig?
A:Drei Hauptfaktoren bestimmen den Preis: der hohe Preis des keramischen Rohmaterials, die langen Zykluszeiten, die für die sichere Bearbeitung des Teils erforderlich sind, und der schnelle Verschleiß diamantbeschichteter Werkzeuge, der mit hohen Kosten verbunden ist.
