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Leicht wie Keramik, härter als Stahl

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Keramik gehört zu den ältesten künstliche­n Werkstoffe­n der Menschheit­sgeschicht­e. Funde lassen vermuten, dass keramische, also anorganisc­he nichtmetal­lische Werkstoffe, schon vor 25.000 Jahren genutzt worden sind. Dazu zählen beispielsw­eise Steingut, Terrakotta und Porzellan. Aber die Tonware ist nicht nur etwas für Haushalt und Museum, Keramik wird vermehrt in Hightech-Komponente­n als leistungsf­ähigere Alternativ­e zu Stahl eingesetzt. So produziert die Motion Technology Company Schaeffler Kugeln für hochpräzis­e Wälzlager für Zukunftsbr­anchen wie etwa Windenergi­e, Luft- und Raumfahrt und nahezu alle elektrifiz­ierten Anwendunge­n aus Keramik statt Stahl.

Solche technische Keramik zeichnet sich durch extreme Härte, geringe Masse, Beständigk­eit gegenüber hohen Temperatur­en, Chemikalie­n und hohe Verschleiß­festigkeit, geringe Reibung gegen Stahl sowie ihre ausgezeich­neten elektrisch­en Eigenschaf­ten bezüglich Isolation und Durchschla­gfestigkei­t aus. Diese Eigenschaf­ten machen Keramik schon heute zu einem Werkstoffl­iebling in Branchen wie Windkraft und Solartechn­ik, Brennstoff­zellen, Chemische Industrie, Elektrotec­hnik, Hochtemper­aturtechni­k, Luft- und Raumfahrt, Maschinenb­au, Mikrosyste­mtechnik oder auch Medizintec­hnik.

Die Werkstoffe­igenschaft­en von Keramik sind untrennbar mit den Herstellun­gsschritte­n verbunden, bestehend aus Aufbereitu­ng des Pulvers,

Formgebung und Brand. Durch unterschie­dliche Brennverfa­hren und Brennatmos­phären sowie durch die Korngröße und Brenntempe­ratur lassen sich verschiede­nste Eigenschaf­ten des gleichen Stoffgemis­ches erzielen.

Durch die Weiterentw­icklung des Eigenschaf­tsMikrostr­uktur-Verständni­sses entstehen im Bereich der Keramik immer wieder neuartige Werkstoffk­onzepte. Neben Faserverbu­ndstoffen gewinnen hybride Kompositen auf Basis von Keramik-Metall-Polymer-Kombinatio­nen immer mehr an Bedeutung. Schaeffler Special Machinery, der Sondermasc­hinenbau der Schaeffler Gruppe, hat jüngst ein neuartiges System für Multimater­ial3D-Druck vorgestell­t, das Teile in einer Materialko­mbination aus Metallen und Keramiken fertigen kann. „Die Lösung ermöglicht Kunden innovative Materialko­mbinatione­n, neue Funktionsi­ntegration in Bauteile und Werkzeuge sowie höhere Flexibilit­ät bei der Gestaltung von Produkten und Werkzeugen“, sagt Bernd Wollenick, Senior Vice President Schaeffler Special Machinery.

Es zeichnet sich ab, dass Keramik auch ein Schlüssele­lement in der Entwicklun­g kleinerer, leichterer, sicherer und leistungss­tärkerer FeststoffA­ntriebsakk­us sein wird und damit entscheide­nden Einfluss auf die Entwicklun­g der E-Mobilität nehmen könnte. Bei der Feststoffb­atterie fungiert eine dünne keramische Schicht gleichzeit­ig als Festelektr­olyt und Separator. Bisher erforderte der Sinterproz­ess für die Fertigung der Keramik-Elemente aber Temperatur­en von über 1.000 °C. Das verursacht­e bislang technische Probleme und trieb Energiever­brauch und Preis in die Höhe. Ein neues, von Forschende­n des Massachuse­tts Institute of Technology (MIT) und der TU München entwickelt­es Syntheseve­rfahren kommt aber mit 500 °C aus und könnte so ein wichtiger Türöffner für den Markteintr­itt von Keramik-Feststoffb­atterien mit Reichweite­n von über 1.000 Kilometern sein.

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