Es gibt für die Keramik eine Anzahl Bücher oder Schriften, in welchen Hinweise gegeben werden, wie die Keramiker die Diskussion suchen, um bei der Gestaltung neuer Bauteile diese " keramikgerecht" auszulegen. Deshalb bevorzugen wir mit den Konstrukteuren oder Entwicklern ein lebendiges Gespräch von Anfang an zu führen.

Die Keramik wünscht allgemein:

• Formen relativ einfach und symmetrisch auszulegen
  Absätze und Hinterschneidungen zu vermeiden oder Modulbauweise zu bevorzugen
  Gleichmäßige Wandungen
  Keine scharfen Ecken oder Kanten

• Spannungsspitzen zu vermeiden
  Keine plötzlichen Querschnittsveränderungen
  Verringern der Kerbwirkung
  Runde Ecken, keine langen auslaufenden spitzen Kanten
  Auflageflächen vergrößern
  Lochabstände nicht zu klein bemessen

• Zugspannungen zu minimieren
  Unwandlung von Zug in Druckspannung wo immer möglich
  Druckvorspannung einsetzen durch z.B. Schraubverbindung

• Materialanhäufungen zu vermeiden
  Wanddicken gleichmäßig auswählen
  Keine direkten Knotenpunkte
  Unterschiedliche Wandstärken insbesonders beim Strangpressen vermeiden

Diese unvollständige Aufzählung sollte auf die Komplexität des Themas hinweisen, da auch noch die Art der Herstellungsweise wie z.B.Trockenpressen, Extrudieren, Heißgießen, Isostatischpressen etc., um nur einige Arten aufzuzählen, die keramischen Herstellmöglichkeiten beeinflußt.

Hinzufügen sollte man noch, daß die unterschiedlichen keramischen Werkstoffe bildsam d.h. plastisch, oder unbildsam (pseudoplastisch) sind, welche man dann teilweise nur mit Hilfe organischer Substanzen verformen kann. Dies spiegelt sich letztendlich auch in der Preisgestaltung des Bauteiles wieder.

Zusätzlich ist es dann wichtig mit einer geeigneten Verbindungs- oder Fügetechnik die keramischen Teile in das notwendige Gesamtsystem zuverlässig zu integrieren. Wobei die Keramiken mit anderen Werkstoffen sich lösbar oder unlösbar miteinander verbinden lassen. Jedoch sind öfter Anpassungsschwierigkeiten zumeist durch unterschiedliche therm. Ausdehnungskoeffizienten oder elastischem Verhalten insbesonders mit metallischen Werkstoffen vorhanden.

( Eine ausführlichere Beschreibung über keramikgerechtes Konstruieren sowie Verbindungs- und Fügetechnik findet man auch in dem Brevier "Technische Keramik")

Anwendungsbeispiele in der Silikatkeramik für die Konzeption komplexerer Bauteile

Da die silikatischen Werkstoffe (z.B. Steatit, Cordierit, Aluminiumsilikat) gute bis sehr gute Möglichkeiten zur Herstellung auch komplizierter Teile anbieten und zumeist im Vergleich zu den gängigen Oxidkeramiken ( Al₂O₃, ZrO₂) ein sehr günstiges Preisniveau haben und außerdem sowohl gute elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen, kann man Bauteile unterschiedlichster Geometrie herstellen.

Außerdem können Werkstoffentwicklungen auch bei silikatischen Rohstoffen, bei Bedarf und Wirtschaftlichkeit, gezielt durchgeführt werden.
Es ist aber desöfteren notwendig diese Bauteile mit anderen zu einem Funktionsteil zu verbinden.

Verbindung mit Glasuren

Spule für Medizintechnik aus dem Material Steatit

Eine Spule (siehe Skizze) wurde früher mittels Gießverfahren hergestellt. Bekannterweise ist das Gießverfahren in der Porzellanindustrie ein erprobtes und sehr gut beherrschbares Verfahren. Jedoch ist dieses Verfahren in der Steatitindustrie nur bedingt einsetzbar, da nur geringe Mengen pro Jahr hergestellt werden und die hier eingesetzten Rohstoffe das Gießen erschweren. Außerdem sind notwendige enge Maßtoleranzen nur schwer einzuhalten.

Somit hat man dieses Teil in drei Einzelteile zerlegt. Das Mittelteil wurde extrudiert und die äußeren zwei Platten trockengepreßt (Bild #2). Da Glasuren mit gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie Steatit vorhanden sind, konnte man die Teile an den entsprechenden Stirnflächen glasieren und in einem zusätzlich eingeführten Brennverfahren verbinden (Bild #3). Der Vorteil liegt hier in einer relativ spannungsfreien Verbindung, wobei die Glasur eine feste Verbindung mit der Steatitkeramik eingeht, das heißt die "Klebestelle" ist so fest wie der Steatitscherben.

Verbindung mit Kitten oder Zement

Zwei von der Herstellungsart und Eigenschaften völlig unterschiedliche Keramiken sind mittels eines Kittes (hier Basis Wasserglas oder Aluminiumphosphat ) zu einem Zündisolator (siehe Bilder # 4,5,6) entwickelt. Für dieses Bauteil benötigt man als aktives Moment eine SiC – Keramik, deren Widerstand bekannt ist und somit als Heizer dient. Als Träger benutzt man eine dichte Cordieritkeramik C 410, welche noch gute mechan. Eigenschaften hat, jedoch auf Grund des niedrigen Ausdehnungkoeffizienten eine notwendige Temperaturwechselbeständigkeit besitzt. Diese Bauteile, werden seit Jahren in großen Mengen in USA eingesetzt, jedoch sind in den letzten Jahren bereits eine Anzahl von Anwendungsbereichen auch in Europa bekannt.

Verbindung mechanisch / Verklebung

Für eine Lampenfassung wurde ursprünglich die Verbindung gewählt einen Gewindering aus Messing mit einem Epoxidharzkleber in die Keramik einzukleben. Auf den Gewindering wurde anschließend der Lampenschirm (Gewicht ca. 2000g Bild #9) aufgeschraubt. Man beobachtete aber in der Praxis, daß die UV – Strahlung wie auch die betriebsbedingten Temperaturschwankungen die Verklebung nach einer gewissen Zeit verspröden ließ. Dies hatte zur Folge, daß der aufgeschraubte, sehr schwere Lampenschirm gefährdet war sich zu lockern. Die Lösung war, zur Sicherheit ein metrisches keramisches Innengewinde in die Keramik einzuarbeiten ( Bilder # 7,8). Somit kann der Gewindering aus Messing direkt in die Keramik eingeschraubt werden. Als Verdrehungsschutz wird die Schraubverbindung aber weiterhin mit einem Kleber noch stabilisiert.

Brennertechnik

Keramische Lochplatten werden als Brennerplatten für Gasinfrarotstrahler oder Heizthermen eingesetzt. Allgemein typische Verbindungsarten bei Infrarotstahlern sind Verkitten mit einem Wasserglaskitt oder Abdichten mit einem anorganischen Fasermaterial ( Bild #10). Diese Verbindungsarten haben sich seit Jahren bewährt. Es wird bei diesem Verfahren erreicht, die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik und des Metallrahmens zu verknüpfen, wobei in der Kittnaht, als schwächstem, Glied, ein kleiner Haarriss nach der ersten Inbetriebnahme auftritt. Dies ist aber hier nicht störend, da bei Gasdrücken von min. 30mbar keinerlei Rückschlag des Gasluftgemisches in der Brennkammer vorkommt.

Anders ist die Verbindung bei hochwertigen Geräten, wie den modernen modulierenden Heizthermen mit Vormischbrennern (Bild #11), zu wählen. Hierzu ist es notwendig, da alle Verbindungsstellen Keramik / Metallrahmen gasdicht verschlossen sein müssen, die Keramik " streßfrei" in den Rahmen einzubauen. Die gewählten Lösungen sind Faserdichtungen und / oder Silikondichtungen. In besonderen Fällen muß man berücksichtigen, daß die max. Temperatur an der Rückseite der Keramikplatten nicht eine Silikondichtung im Dauerbetrieb beschädigt. Man nützt dazu die sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit der hochporösen Keramik aus und dichtet auf dem elastischen Silikonband direkt ab.

Hochfrequenztechnik

Bei Hochfrequenzspulen bzw. Flachelektroden ( Bilder # 12 und 13) wird z.B. als Trägermaterial Sondersteatit (e : 6; tan d _1M: 12 x10^-4) eingesetzt. Die Teile werden mittels Siebdruckverfahren mit einer definierten Silberschicht bedruckt und nach dem Einbrennen zum Schutz mit einem Glasfluß glasiert. Wichtig ist die Abstimmung der Ausdehnungskoeffizienten des Edelmetalls und der Glasur mit der Keramik. Außerdem kann an den Anschlüssen mittels einer galvanischen Verstärkung erreichen, daß die Lötfähigkeit verbessert wird.

Chemiekeramik

In verschiedensten Abgasreinigungssystemen werden eine Reihe keramischer Trägermaterialien eingesetzt. Im Allgemeinen wird auf einen relativ porösen Cordieritkörper ein "Washcoat" aufgetragen, welcher eine hohe spezifische Oberfläche hat, und nach einem Trockenvorgang auf die Wabe eingebrannt wird. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit Al₂O₃ oder Al – Silikatkeramiken so einzustellen, damit man auf diesen Arbeitsgang verzichten kann. Es ist mit diesen hochporösen Keramiken ( Bild # 14) möglich, direkt die Edelmetalle oder auch Nichtedelmetalle aufzutragen, da diese zusätzlich gute Werte der spezifischen Oberfläche aufweisen (g -Al₂O₃). Die physikalischen Werte werden nach Kundenanforderungen festgelegt. Nachteilig wirkt sich bei diesem Material der höhere Ausdehnungskoeffizient und damit ungünstigeres Verhalten der Thermoschockbeständigkeit aus. Deshalb werden solche Keramiken hauptsächlich in stationären Anlagen eingesetzt.

Literatur:
Tobias Grau Katalog
Skizze Bosch Thermotechnik