Erster Schnitt in leitfähige Keramik

Die Formgebung von harter und verschleißbeständiger Keramik erfolgt zumeist mit aufwendigen Schleifverfahren. Durch die Entwicklung einer leitfähigen Keramik ist jetzt das DRAHTERODIEREN mit hoher Schnittgeschwindigkeit gelungen.

Gehärtete Stahlformen zeigen beim Spritzgießen von glasfaserverstärkten Kunststoffen und im MIM- (Metal Injection Moulding) Verfahren nach relativ niedriger Schusszahl Verschleißerscheinungen. Ähnliche Beobachtungen hat das auf Keramik-Entwicklung und -Verarbeitung spezialisierte Unternehmen OxiMaTec aus Hochdorf beim Keramik-Spritzgießen (Ceramic Injection Moulding, CIM) gemacht. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Forderung nach einem verschleißfesten, vorzugsweise keramischen Material für die wirtschaftliche Verarbeitung abrasiv wirkender Werkstoffe. Bis dato ist dem Werkzeugund Formenbauer kein entsprechendes Material zugänglich, oder die verfügbaren Werkstoffe sind für derartige Einsatzzwecke nicht geeignet. Denn Keramik muss sich mittels Funkenerosion, einem der grundlegenden Verfahren in der Werkzeug- und Formenherstellung, bearbeiten lassen.

Erodierbare Keramik mit hoher Zähigkeit
Deshalb wurden in den vergangenen Jahren durch Dotierung mit Hartstoffen elektrisch leitfähige und damit erodierbare Keramiken entwickelt. Allerdings war bisher eine sehr hohe Konzentration der leitfähigen Komponente erforderlich, was die Sprödigkeit deutlich erhöhte und sich insbesondere auf die Zähigkeitseigenschaften negativ auswirkte. Den Unternehmen OxiMaTec und Leonhardt Graveurbetrieb ist es jetzt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) an der Universität Stuttgart gelungen, eine erodierbare Keramik ohne Festigkeits- und Zähigkeitsverlust herzustellen. Wolfgang Leonhardt, Inhaber des Graveurbetriebs Leonhardt und seit Jahrzehnten im Werkzeug- und Formen bau tätig, nennt eine der Schwierigkeiten, mit denen sich die Entwickler auseinandersetzen mussten: »Die thermische Ausdehnung und die Wärmeleitfähigkeit des Materials müssen auf den Stahlwerkstoff abgestimmt werden, damit das vorteilhafte Verschleiß- und Korrosionsverhalten der Keramik ausgenutzt werden kann.« Auf diese Weise lässt sich eine lange Lebensdauer der Formeinsätze erreichen, selbst in kritischen Bereichen wie dem Anguss beim Spritzgießen von glasfaserverstärkten Polymeren oder bei filigranen, scharfkantigen Kavitäten beim Spritzgießen von Metallen (MIM) oder Keramik (CIM). Die neue Werkstoffformulierung, die auf Aluminiumoxid basiert, beschreibt Wolfgang Burger, geschäftsführender Gesellschafter von OxiMaTec: »Der elektrische 24 Prozent des Gesamtvolumens. Dadurch ist es uns gelungen, dem Material eine hohe Härte bei guter mechanischer Festigkeit und Bruchzähigkeit zu verleihen.« Das Unternehmen ist inzwischen sogar in der Lage, Härte und Elastizität anwendungsorientiert zu variieren, beispielsweise, indem gefügeverstärkende Leiter in der von uns entwickelten Keramik istein Hartstoff. Sein Anteil beträgt gerade einmal 20 bis Plättchen in die Keramik eingebracht werden.

Erste Tests mit hervorragenden Resultaten
Der Materialentwicklung folgten zahlreiche Tests zur Bearbeitung mit den üblichen Werkzeug- und Formenbauverfahren. Zunächst wurde ein Zahnrad drahterodiert. Wolfgang Leonhardt erläutert die Absicht: »Wir haben das Zahnrad in ein Getriebe eingesetzt, um seine Verschleißbeständigkeit in der Trockenreibung zu testen.« Das Ergebnis übertraf die Erwartungen des erfahrenen Werkzeugbauers, der daraufhin weiter mit dem Material experimentierte und herausfand, dass künftig auch Schneidstempel für das Stanzen in Betracht kommen. In einer zweiten Erprobungsphase wurde die neue erodierbare Keramik auf einer Drahterodiermaschine ›CUT 1000 OilTech‹ mit Ölbad von GF Agie Charmilles verarbeitet. Wiederum mit hervorragendem Ergebnis: So konnte eine Schnittgeschwindigkeit erreicht werden, die der von Metall kaum nachsteht. Auf diese Weise können Werkzeug- und Formenbauer Einsätze ausschneiden und diese für das Metall- oder Keramik-Spritzgießen in die Stahlform einbauen. Damit lässt sich ein prozesssicheres und verschleißarmes Spritzgießen erwarten. Die erfolg - reichen Versuche veranlassten den Maschinenhersteller schließlich dazu, auf der Messe EuroMold 2010 das Verfahren gemeinsam mit den Werkstoffentwicklern zu zeigen. Weitere Versuche zum Draht- und Senkerodieren der erodierbaren Keramik von OxiMaTec werden folgen, um sicherzustellen, dass das Material un - abhängig von der vorhandenen Maschinentechnik eingesetzt werden kann. Wolfgang Burger definiert das Ziel so: »Jeder Werkzeug- und Formenbauersoll aus unserer leitfähigen Hochleistungskeramik prozesssicher Einsätze fertigen und sie in die Stahlformen für das Metall- oder Keramikspritzgießen einsetzen können.«

Originalartikel als PDF-Download:  Mikroproduktion_01_2011 (1.02 MB)
Quelle: MIKROvent GmbH, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 01/11