Leicht wie Keramik, härter als Stahl

Stahl eignet sich aufgrund seines Gewichts beispielsweise nicht für hohe Drehzahlen. Zudem korrodiert er vergleichsweise schnell, sofern er nicht mit einem entsprechenden, kostspieligen Schutz versehen wird. Keramische Komponenten wiederum gehen mit hohen Anschaffungskosten einher, die sich für viele Anwendungsbereiche kaum lohnen. Darüber hinaus lässt sich Keramik weniger gut mechanisch bearbeiten, was die Formgebung limitiert. Der MLC Metal Like Ceramics GmbH ist es nun jedoch gelungen, einen Werkstoff zu entwickeln, der die Vorteile von Stahl und Keramik vereint. Dank des speziellen Herstellungsverfahrens kann die MLC GmbH ein Ausgangsmaterial fertigen, das sich kostengünstig mit Extrusions- oder Spritzgussverfahren formen lässt.
Durch eine anschliessende Wärmebehandlung verwandelt sich das Werkstück in ein leichtes Keramikprodukt, das Stahl in puncto Temperatur-, Korrosions- und Verschleissbeständigkeit übertrifft.

Grenzen der Materialeigenschaften überwinden
Die Auswahl an Komponenten wie Wälz- und Kugellagervarianten oder Linearführungen für Maschinenhersteller ist gross, denn jede Maschinenumgebung stellt unterschiedliche Anforderungen an die Materialien. Während Stahl für seine leichte Bearbeitbarkeit geschätzt wird, ist er ohne teure Speziallegierungen in korrosionsgefährdeten Bereichen weniger geeignet. Auch sehr hohe Drehzahlen sind mit dem schweren Werkstoff nur eingeschränkt möglich. Generell erhöhen harsche Umgebungen wie Korrosion die Ermüdung des Materials durch eine Schädigung des Materialgefüges. «Dort, wo Stahllager an ihre Grenzen kommen, wird üblicherweise auf Hybridlager oder auch vollkeramische Lager zurückgegriffen», weiss Dr. Michael Schubert, Leiter Produkt- und Prozessentwicklung bei MLC. «Vollkeramische Lager bieten vor allem in Bezug auf Verschleiss-, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit bei anspruchsvollen Anwendungsarten grosse Vorteile gegenüber den beiden anderen Lagerarten. Allerdings gehen damit höhere Anschaffungskosten einher, die sich nicht für jede Situation rechtfertigen lassen.» Letztendlich sind Maschinenhersteller darauf angewiesen, verschiedene Lagertypen bereitzuhalten und je nach Maschinendesign und späterem Einsatzort entsprechend zu verbauen.
Daher hat MLC einen eigenen Werkstoff entwickelt, der die jeweiligen Vorteile von Stahl und Keramik zusammenführt. Der Werkstoff ist im Vergleich zu Stahl robuster, gewichtsreduziert und verschleissbeständiger, lässt sich aber gleichzeitig im Rahmen der Herstellung und Formgebung leichter bearbeiten als herkömmliche Keramik. Somit steht ein universaler Werkstoff für die Herstellung zahlreicher Lager- und Komponentenvarianten bereit, wobei die Produktions- und Anschaffungskosten deutlich geringer als bei klassischen Hybrid- und Vollkeramiken aus Standardkeramiken wie zum Beispiel SiN ausfallen.

Spezielles Verfahren ermöglicht kostengünstige Herstellung
Die guten Materialeigenschaften ergeben sich durch die patentierte Materialmischung. Das spezielle Herstellungsverfahren wiederum erlaubt eine hohe Designfreiheit und vergleichsweise niedrige Kosten für die Produktion von MLC. «Bei der klassischen Keramikherstellung erfolgt eine aufwändige Herstellung durch die eingesetzte Pulvertechnologie, die nur begrenzte Möglichkeiten in der Geometrie- und Formgebung bietet, sodass nachfolgende Sinterprozesse erforderlich sind. Die Grünkörperfertigung wird so zu einem relativ teuren Produktionsschritt, sodass der Einsatz vollkeramischer Bauteile wohl überlegt sein will», erklärt Michael Schubert. Die MLC GmbH stellt ihren Werkstoff – der den Namen MLC trägt – hingegen in einem ersten Schritt aus einem polymeren Grundmaterial her, das mit aktiven und passiven Füllstoffen angereichert wird. Diese Masse kann dann durch bewährte Verfahren der Kunststoffindustrie, wie zum Beispiel Extrusion oder Spritzguss, kostengünstig verarbeitet und in eine erste Vorform gebracht werden. Das polymere Material dient dabei als plastisches Matrixmaterial für die Füllstoffe.
Mithilfe einer ersten Wärmebehandlung wird die Vorform in einen bearbeitbaren Grünkörper verwandelt. Dieser besitzt eine plexiglasähnliche Beschaffenheit, wodurch ein endkonturnahes Bauteil mit nur geringem maschinellem Aufwand herausgearbeitet werden kann. Durch diese leichte Bearbeitung lassen sich nahezu alle gewünschten Geometrien realisieren und der Werkzeugverschleiss ist im Vergleich zur Bearbeitung anderer Werkstoffe äusserst gering. Zum Abschluss wird das Bauteil, das aus dem Grünkörper geformt wurde, in einem Hochtemperaturschritt final gefestigt, wodurch es seine stahlähnliche Härte von 1000 HV bekommt. Dabei wird das Silikonharz vollständig umgesetzt und Rückstände bleiben aus. Für hochgenaue Bauteile kann das keramische Material deshalb ohne grossen Aufwand und den Einsatz teurer Werkzeuge wie Diamantschleifer nachbearbeitet werden.

Einsatzgebiete vom Leichtbau bis hin zur Medizintechnik
Von den kombinierten Vorteilen des Keramikwerkstoffes hinsichtlich der Robustheit und Widerstandsfähigkeit profitieren Anwender in den verschiedensten Industriesektoren. So eignet sich MLC für Bauteile im Reinraum und Vakuum, aber auch korrosive oder verschmutzte Umgebungen, in denen schlechte Schmierbedingungen herrschen. «Die Leistungsfähigkeit unseres Materials wird von solchen Faktoren ebenso wenig beeinträchtigt wie durch schwankende oder hohe Temperaturen», so Michael Schubert. Da die Formgebung sowie die Herstellung sehr flexibel und vergleichsweise einfach durchgeführt werden können, ist der Einsatz auch jenseits reiner Lager- und Antriebskomponenten denkbar. Dazu zählen etwa Leiterplatten- und Halbleiterfertigung, Elektronik und Mechatronik, Leichtbau, Medizintechnik sowie die Nutzung in kunststoffverarbeitenden Betrieben. «Wir sind kontinuierlich dabei, das Material mit Partnern weiterzuentwickeln, um neue Einsatzgebiete wie die Verarbeitung im 3D-Druck zu ermöglichen. Dazu bauen wir unsere Fertigungsmöglichkeiten aus und setzen auch zukünftig auf Partnerschaften, um MLC als universalen Werkstoff etablieren zu können», resümiert Michael Schubert.

INFOS | KONTAKT
MLC Metal Like Ceramics GmbH
Industriestrasse 15
D-97461 Hofheim
T +49 (0)9523 502 968-0
www.ml-ceramics.com
info@ml-ceramics.com