Werkstofftechnik Keramik spritzgießen

Bauteile und Sensorikelemente im Automobil müssen für den Einsatz auf kleinstem Raum bei extrem hohen Temperaturen geeignet sein. Diesen Ansprüchen wird die technische Keramik mit ihren günstigen Materialeigenschaften gerecht.

Elektronikkomponenten im Automobil werden immer kleiner, zugleich steigen die Ansprüche an die Leistung, Sicherheit und den Umweltschutz. Diese Entwicklung wirkt sich auf die Beschaffenheit der Bauteile aus, die beispielsweise hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und elektrischer Isolierung immer größeren Anforderungen gerecht werden müssen. Gerade in Sensoren, Katalysatoren und in der Fahrzeugelektronik haben sich aus diesem Grund Elemente aus technischer Keramik etabliert. Verantwortlich dafür sind ihre günstigen Eigenschaften wie thermische und chemische Beständigkeit, Formstabilität, Verschleißfestigkeit und hohe elektrische Isolierfähigkeit.
Hinzu kommt, dass sich die Fertigungstechnologien wie der keramische Spritzguss, auch Ceramic Injection Moulding (CIM) genannt, entscheidend verbessert haben. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Keramikteile mit äußerst komplexen und filigranen Geometrien präzise herstellen und in Millionenstückzahlen kosteneffizient anbieten.
Für empfindliche Messsysteme wie Sensoren ist die technische Keramik wegen ihres günstigen Isolationsvermögens als elektrischer Nichtleiter und ihrer mechanischen Robustheit prädestiniert. In Kfz-Sensoren müssen die Bauteile hohen Temperaturen standhalten - dies kann nur die technische Keramik leisten. Die Temperaturfestigkeit etwa von Zirkoniumoxid reicht bis maximal +1800 °C - im Vergleich dazu geht sie bei Kunststoff bis etwa +300 °C und bei metallischen Werkstoffen bis etwa +1000 °C. Zudem ist die thermische Ausdehnung technischer Keramik im Gegensatz zu Kunststoff und Aluminiumlegierungen wesentlich geringer, und keramische Produkte sind sehr formstabil.
Die extrem hohe Resistenz gegenüber Korrosion macht ein keramisches Sensorgehäuse widerstandsfähig. Versprödung, Materialveränderungen, Alterung und damit einhergehende Deformierung, die sich auf die Funktionen des Sensors auswirken könnte, bleiben aus. Weitere Vorteile des Werkstoffs: Die Materialermüdung setzt bei technischer Keramik zu einem weitaus späteren Zeitpunkt ein als bei metallischen Werkstoffen, und die mechanische Festigkeit ist auch unter Druck- und Temperatureinwirkung sehr hoch.

Hohen Anforderungen gewachsen

Für Komponenten speziell in der Automobilelektronik steigen die Forderungen nach immer größer werdender Komplexität der Bauteilgeome-trien und einer Miniaturisierung der Bauteile. Das 
Produktionsverfahren Keramikspritzguss kommt diesen Ansprüchen im Vergleich zu anderen Verfahren für die Herstellung technischer Keramik am besten entgegen (Bild 1). Mit CIM können keramische Werkstoffe in eine endkonturnahe Form gebracht werden, die zum Beispiel Gewinde, Schrägbohrungen oder Hinterschneidungen enthält. Auch die Wiederholgenauigkeit ist nach Erfahrungen des Keramikherstellers Sembach mit Keramikspritzguss in alle drei Raumrichtungen unübertroffen - selbst bei großen Stückzahlen.
So konnte Sembach keramische Bauteile mit Wandstärken von 0,25 mm zur Serienreife bringen. Die hauchdünnen Bauteile aus Aluminiumoxid sind im Bereich der Abgastemperaturmessung im Einsatz. Aufgrund der geringen Wandstärke können die eingebauten Sensoren schnellere Reaktionszeiten liefern. So lassen sich auch unter extremen Temperaturen und in aggressiven Medien präzise Messdaten liefern und in Steuerungsprozesse integrieren.

Die Herstellung von Hybridbauteilen mit Keramikspritzguss ist eine weitere Neuigkeit aus dem Hause Sembach. So hat das Unternehmen durchgängig hinterleuchtete 2-Komponenten-Bauteile aus Keramik und lichtdurchlässigen Werkstoffen wie transparenter Kunststoff oder Glas entwickelt (Bild 2). Durch einen speziellen Prozess können in dem Hybridbauteil nun auch Linienverläufe hinterleuchtet werden, die sogenannte »verlorene Formen« beziehungsweise ineinander verschachtelte Formen beinhalten. Die hochwertige Optik und angenehme Haptik dieser Bauteile verbunden mit der hohen Verschleißfestigkeit machen die Keramikelemente für vielfältige Anwendungen interessant.

Produktionskosten reduziert

Entwickler und Konstrukteure erhalten mit CIM nicht nur mehr Spielraum bei der Gestaltung von keramischen Bauteilen. Da die Prozesssicherheit des keramischen Spritzguss sehr hoch ist, können auch hochwertige und damit hochpreisige Rohmaterialien wie Werkstoffe aus dem Nitrid- oder Karbidbereich verarbeitet werden. Sembach Technical Ceramics hat das Spritzgussverfahren durch Automatisierung mit Robotern zudem soweit entwickelt, dass auch Fertigungslose von einer Million Stück und mehr zu bewältigen sind. 
Ein Beispiel soll die wirtschaftlichen Vorteile aufzeigen: Zusammen mit einem Automotive-Kunden entwickelte das Unternehmen eine Halterung für die elektrischen Kontakte einer Steckverbindung, die unter anderem bei der Sauerstoffkonzentrationsmessung zur Motor- beziehungsweise Abgasregelung verwendet wird. Das nur 0,3 g leichte Bauteil sollte trotz seiner geringen Größe einer hohen Montagekraft standhalten. Deshalb wurde es aus dem widerstandsfähigen Aluminiumoxid hergestellt. Die Wahl dieses Werkstoffs machte die Umstellung des Produktionsverfahrens von Trockenpressen auf Spritzgießen notwendig. Nur so ließen sich die Eigenschaften des extrem kleinen und speziell geformten Bauteils in einem Fertigungsschritt umsetzen. Das Spritzgusswerkzeug wurde als Vielfachwerkzeug ausgelegt, um die Produktivität zu steigern.
Auch wenn der initiale Aufwand für die Herstellung eines Produkts aus technischer Keramik manchmal höher ist als bei Werkstoffen wie Kunststoff und Metall, so zeigt sich im Produktionsprozess häufig, dass der integrale Aufwand wesentlich geringer und die Keramik in der Herstellung insgesamt günstiger und länger haltbar ist. Um für das jeweilige Produkt die spezifischen Materialeigenschaften und die positiven wirtschaftlichen Auswirkungen herauszustellen, sollten Hersteller wie Sembach möglichst früh im Entwicklungsprozess eines Bauteils mit einbezogen werden.

Über den Autor:

Christian Montel ist im technischen Vertrieb bei Sembach tätig.