Noch immer unterschätzt Technische Keramik für widerstandfähigste Sensoren

Die weitaus größte Flexibilität bei der Formgebung bietet der keramische Spritzguss - oder auch Ceramic Injection Moulding (CIM). Sembach hat dieses Verfahren durch Automatisierung mit Robotern so weit entwickelt, dass auch Fertigungslose von einer Million Stück und mehr zu bewältigen sind
Die weitaus größte Flexibilität bei der Formgebung bietet der keramische Spritzguss - oder auch Ceramic Injection Moulding (CIM). Sembach hat dieses Verfahren durch Automatisierung mit Robotern so weit entwickelt, dass auch Fertigungslose von einer Million Stück und mehr zu bewältigen sind

Durch ihre hohe Temperatur- und Korrosionsfestigkeit, ihre außergewöhnliche Härte und den geringen Verschleiß eignet sich die Technische Keramik besonders für Sensoren in rauen Einsatzbereichen. Aber auch als Ersatz für Metall- und Kunststoffteile wird das Material immer attraktiver.

Die Zündkerze mit ihrem keramischen Isolationskörper aus Aluminiumoxid feiert dieses Jahr ihren 112. Geburtstag. Im Automobil dürfte dies der erste Einsatz von Keramik gewesen sein. Die in Lauf bei Nürnberg ansässige Sembach GmbH & Co. KG stellt seit der Entwicklung der Lambdasonde in den 1970er-Jahren Keramikteile für die Automobilbranche her und erreicht Ausfallquoten im niedrigen ppm-Bereich.

Die Automobilelektronik zählt zu den wichtigsten Einsatzgebieten der Technischen Keramik. »Die Diskussion um Emissionsbelastungen, begrenzte fossile Ressourcen und steigende Benzinpreise stellt die Automobilindustrie heute vor neue Herausforderungen«, erklärt Martin Sembach, Geschäftsführer des Unternehmens. »Um den Verbrauch und damit die Umweltbelastung zu senken, wird beispielsweise der Hubraum der Motoren bei gleicher Leistung immer kleiner. Bauteile wie Kühlkanäle in Motorblöcken und Sensorikelemente wie die Lambdasonde zur Abgasregulierung müssen folglich besonderen Ansprüchen an Abmessungen, Sicherheit und Wärmeverhalten gerecht werden. Hier setzt die Technische Keramik mit ihren günstigen Materialeigenschaften an: Sie verfügt bei geringer Dichte über eine hohe elektrische Isolierfähigkeit und Härte und ist beständig gegen Korrosion und hohe Temperaturen. Zudem zeichnet sie sich durch ein gutes Reibungs- und Verschleißverhalten aus.«

Temperaturfest bis 1800 °C

Besonders zum Tragen kommen diese Eigenschaften bei Sensorgehäusen und -trägern. Selbst als aktive Komponente, zum Beispiel als Sauerstoffionenleiter wird sie verwendet. Sensorhersteller setzen die Keramik-Gehäuse von Sembach vor allem deshalb ein, weil die Keramik mit ihrem idealen Isolationsvermögen als elektrischer Nichtleiter für die empfindlichen Messsysteme prädestiniert ist. Bei Messsystemen im Automobil beispielsweise wird eine hohe Temperaturbeständigkeit gefordert, die nur die Technische Keramik leisten kann. Ihre Temperaturfestigkeit geht bis maximal 1800 Grad Celsius – im Vergleich dazu geht sie bei Kunststoff bis etwa 300 Grad Celsius und bei Stahl im Allgemeinen bis etwa 1000 Grad Celsius. Zudem ist die thermische Ausdehnung im Gegensatz zu Kunststoff und Aluminiumlegierungen wesentlich geringer. Produkte aus Technischer Keramik verfügen demnach über ausgezeichnete Formstabilität.

Weiterer Vorteil: Materialalterung und -ermüdung setzen zu einem weitaus späteren Zeitpunkt ein als bei metallischen Werkstoffen. In Bereichen, in denen hoher mechanischer Verschleiß anfällt wie im Anlagen- und Maschinenbau oder wo Korrosion durch chemische Stoffe auftritt, sind keramische Bauteile deutlich widerstandsfähiger und langlebiger als Lösungen mit metallischen Werkstoffen. Die mechanische Festigkeit auch unter Druck- und Temperatureinwirkung ist sehr hoch.

Werkstoff mit noch ungeahntem Potenzial

»Sensoren aus Keramik haben sich gerade im Bereich der Lambdasonden auf breiter Front durchgesetzt«, so Sembach. »Aber auch in vielen anderen Anwendungen gäbe es Bauteile, die aus Keramik hergestellt werden könnten – doch Entwickler ziehen die Keramik aufgrund der meist besser bekannten Eigenschaften herkömmlicher Werkstoffe nicht in Betracht. Oft fehlt ihnen die Erfahrung im Umgang mit Steatit, Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid und sie fragen die Technische Keramik als Werkstoff gar nicht erst an.« Der initiale Aufwand für die Herstellung eines Produktes aus Keramik sei zwar manchmal höher als bei gewohnten Werkstoffen aus Metall oder Kunststoff, im Produktionsprozess zeige sich dann jedoch häufig, dass der integrale Aufwand wesentlich geringer und die Keramik in der Herstellung insgesamt günstiger und länger haltbar sei. »Die Keramik bietet eine große gestalterische Freiheit, selbst für komplexe Formen wie Gewinde, Hinterschneidungen oder Schrägbohrungen«, fährt Sembach fort. »Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren Technischer Keramik machen nahezu unbegrenzte Bauteilformen und -eigenschaften möglich. Bei etlichen Teilen ist der Ersatz durch keramische Bauteile demnach ohne weiteres möglich.«

Die Fertigungsverfahren

Sembach fertigt auf drei verschiedene Arten: Trockenpressen, Extrusion und keramischer Spritzguss. Das Trockenpressen bietet sich bei Teilen an, die hohe Maßgenauigkeit erfordern und in hohen Stückzahlen gefertigt werden. Die Extrusion, das zweite und älteste Verfahren, eignet sich für rotationssymmetrische Teile wie Achsen oder Rohre. Geformt wird sowohl mit Kolbenstrangpressen als auch mit Vakuumschneckenpressen.

Die weitaus größte Flexibilität bei der Formgebung bietet das dritte Verfahren, der keramische Spritzguss oder auch Ceramic Injection Moulding (CIM). Sembach hat dieses Verfahren durch Automatisierung mit Robotern so weit entwickelt, dass auch Fertigungslose von einer Million Stück und mehr zu bewältigen sind. Die dafür nötige Ofentechnik mit einem zweistufigen Entbinderungs- und Sinterprozess hat Sembach nachgerüstet. Das Produktionsverfahren eignet sich besonders dann, wenn individuelle Anforderungen an Konstruktion und Produktion gestellt werden. So hat Sembach beispielsweise Teile mit einer bisher unerreicht geringen Wandstärke von 0,25 Millimetern zur Serienreife gebracht. Diese hauseigene Entwicklung wird bei Sensorhülsen eingesetzt, macht den Sensor in seiner Reaktionszeit deutlich schneller und schützt ihn trotzdem gegen extreme Umgebungseinflüsse.

Zum deutschen Patent angemeldet wurde ein von Sembach entwickeltes Hybridverfahren, mit dem sich durchgängig hinterleuchtete Keramikbauteile fertigen lassen. Mit diesem Verfahren können Linien mit »verlorenen« Formen hinterleuchtet werden, ohne dass dabei sichtbare Schatten entstehen. Bei keramischen Bauteilen mit ineinander verschachtelten Formen war es bislang nicht möglich, die Position der inneren oder verlorenen Form ohne sichtbare Verbindungsstege zu fixieren. »Diese deutsche Patentanmeldung bringt die Technische Keramik einen Schritt näher in Richtung jener Formenvielfalt, die der Kunde aus dem Bereich der Kunststofftechnik kennt«, unterstreicht Sembach. »Das Hybridverfahren bietet nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten. Zwischen den Sinterwerkstoffen, meist aus Zirkonoxid, könnten vielfältige Bauteile aus Kunststoff, leitfähige Schichten oder Glas eingebunden werden.«

Ein Werkstoffvergleich

 

Elektrischer Widerstand
(W cm)

Max. Einsatz-temperatur (°C)

Biegefestig-
keit

(MPa)

Härte

(HV)

Stahl

> 10 -5

< 1000

-

200 – 400

Aluminiumlegierung

(0,03 – 1,1)10-4         

250

150 – 300

30 – 140

Kunststoff

1015 – 1018

300

10 – 150

-

Technische Keramik

10-2 – 1014

1.800

30 – 1.400

1.200 – 3.200

Quelle: sembach.de – Brevier Technische Keramik, Verband der Keramischen Industrie e. V. (VKI)