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2 Impressum: Herausgeber: InformationszentrumTechnischeKeramik(IZTK) inzusammenarbeitmitden MitgliedsfirmenderFachgruppeTechnischeKeramikim VerbandderKeramischenIndustriee.V. Geschäftsstelle: VerbandderKeramischenIndustriee.V. InformationszentrumTechnischeKeramik Schillerstrasse17;95100Selb Telefon:+49(0) Telefax:+49(0) Druck: PauliOffsetdruck,Oberkotzau 10.Mai2013 Copyrightby: VerbandderKeramischenIndustriee.V. AlleRechtevorbehalten

3 Vorwort Die hier vorliegende Dokumentation enthält die Ausarbeitungen unsererreferentenfürdievorträgeinderdiesjährigenseminarreihe Technische Keramik in der Praxis sowie die bei den Vorträgen verwendetenbilderunddiagramme. Eswurdevorallemdaraufgeachtet,dassdieTextbeiträgeinsich verständlichsind.dievorträgekönnenleichtvomgesprochenentext abweichen. DieUnterlagenwurdenmitallerSorgfaltzusammengestellt,wobei die einzelnen Autoren für die Inhalte ihrer Beiträge die Verantwortungtragen. VerbandderKeramischenIndustriee.V. InformationszentrumTechnischeKeramik Selb,imMai2013 3

4 Inhaltsverzeichnis 1. VorstellungderReferenten 6 MartinHartmann,VerbandderKeramischenIndustriee.V. 2. VomWerkstoffzumBauteil 2.1. KeramischeWerkstoffeimVergleich 24 Dr.Ing.IlkaLenke,CeramTecGmbH UlrikeWiech,CeramTecETECGmbH 2.2. IndustriellesProduktdesign: 75 IntelligenteLösungenmitKeramik SandraErnst,CeramTecGmbH 2.3. RapidPrototypingalsSchlüsselzurErschließung 110 neueranwendungen MathiasWilde,MicroCeramGmbH 3. KeramikinVerbindung 3.1. EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbund 127 RolandZils,FriatecAGFrialit Degussit 3.2. ErhöhungderBauteilkomplexitätdurchFügenvon 174 KeramikKeramikbzw.KeramikMetallKomponenten AaronMakrlik,TKCTechnischeKeramikGmbH 3.3. DieZähmungderWiderspenstigen 185 DerKeramikMetallLötverbund Dr.Ing.HolgerWampers,LAPPInsulatorsAluminaGmbH

5 4. KeramikimMaschinenbau 4.1. Siliciumnitrid 206 einealternativezustahlundhartmetall Dr.Ing.RolfWagner,H.C.StarckCeramicsGmbH&Co.KG 4.2. DieKeramik:NichtSondersondern 241 StandardwerkstoffimMaschinenundAnlagenbau HeinzAlbert,CERASYSTEMVerschleißschutzGmbH 4.3. WirtschaftlicheFertigungvonkleinenStückzahlen 277 mithoherpräzision Praxisbeispielefür KomponenteninkomplexenAnforderungsprofilen Dr.Ing.TorstenPrescher,BCESpecialCeramicsGmbH Dr.Ing.TorstenWeiß,BCESpecialCeramicsGmbH 4.4. EffizienzKeramikmachdenUnterschied 316 FlorianGrimm,ESKCeramicsGmbH&Co.KG 5. KeramikinbesonderenAnwendungen 5.1. DermodulareKeramikbaukastenTRUSSCERAM 342 SebastianLiebisch,SchunkIngenieurkeramikGmbH 5.2. AußergewöhnlicheProblemlösungenmitporösen 354 Keramiken UlrichWerr,RauschertHeinersdorfPressigGmbH 5.3. PiezoelektrischeMaterialienundderenAnwendung 388 Dr.Ing.KarstenBeck,CeramTecGmbH 6. Mitgliederliste 419 5

6 1. VorstellungderReferenten MartinHartmann VerbandderKeramischenIndustriee.V. Selb Alle Referenten kommen aus den Mitgliedsunternehmen des VerbandsderKeramischenIndustrieE.V.(VKI). Folie1:MitgliederimVKI Alle MitgliedsfirmenverfügenübereineVielzahl vonwerkstoffen undherstellverfahrenundstellenbauteilefürdieunterschiedlichsten Anwendungsgebieteher. DieReferentensprechenjeweilsnurübereinausgewähltesThema, dasnichtdieganzebreitedestätigkeitsfeldesihrerfirmawiedergibt.

7 Folie2:ReferentenvorstellungDr.Ing.IlkaLenke 7

8 VorstellungderReferenten Folie3:ReferentenvorstellungUlrikeWiech 8

9 Folie4:ReferentenvorstellungSandraErnst 9

10 VorstellungderReferenten Folie5:ReferentenvorstellungMathiasWilde 10

11 Folie6:ReferentenvorstellungRolandZils 11

12 VorstellungderReferenten Folie7:ReferentenvorstellungAaronMakrlik 12

13 Folie8:ReferentenvorstellungRolandSchreiber 13

14 VorstellungderReferenten Folie9:ReferentenvorstellungDr.Ing.HolgerWampers 14

15 Folie10:ReferentenvorstellungDr.Ing.RolfWagner 15

16 VorstellungderReferenten Folie11:ReferentenvorstellungHeinzAlber 16

17 Folie12:ReferentenvorstellungSammyPetermann 17

18 VorstellungderReferenten Folie13:ReferentenvorstellungDr.Ing.TorstenWeißPrescher 18

19 Folie14:ReferentenvorstellungDr.Ing.TorstenPrescher 19

20 VorstellungderReferenten Folie15:ReferentenvorstellungFlorianGrimm 20

21 Folie16:ReferentenvorstellungSebastianLiebisch 21

22 VorstellungderReferenten Folie17:ReferentenvorstellungUlrichWerr 22

23 Folie18:ReferentenvorstellungDr.Ing.KarstenBeck 23

24 2. VomWerkstoffzumBauteil 2.1 KeramischeWerkstoffeimVergleich Dr.Ing.IlkaLenke CeramTecGmbH Plochingen UlrikeWiech CeramTecETECGmbH Lohmar Einleitung DieFolienfindenSieabSeite31. WennMetalleundKunststoffeanihreGrenzenstoßen,bietensich keramischewerkstoffealsproblemlöseran.diekeramischenwerk stoffezeichnensichdurchganzbesondereeigenschaftenaus.beider Auslegung und der geometrischen Gestaltung sind diese von den herkömmlichenwerkstoffenabweichendenwerkstoffeigenschaften zu berücksichtigen und ggf. müssen sogar die Bauteile angepasst werden.derfolgendebeitraggibteinenüberblickübergrundlegen de Eigenschaften Technischer Keramik, keramische Werkstoffe im AllgemeinensowieeinenEinblickingrundlegendeFertigungsund KonstruktionsprinzipeninderProzesskettevomPulverzumBauteil EigenschaftenTechnischerKeramik DieEigenschaftenderTechnischenKeramiksindnichtzuvergleichen mitdenenderbekannten,konventionellengeschirrsanitärkeramik. ErstereweistwesentlichhöhereFestigkeitenundBruchzähigkeiten aufundistausdiesemgrundnichtsoeinfachzuzerstörenwieeine KaffeetasseodereinTeller.DieFestigkeitswerteliegenjenachWerk stoffumdas5bis20fachehöheralsdiekonventionellergeschirr keramik!einsehrkleinesbiegebruchstäbchenvon4x5x45mm³ kanneinelastvonbiszu100kgtragenundverformtsichnicht.eine

25 UrsachehierfüristdiehoheSteifigkeitderKeramik.EinigeKeramiken beeindruckenaberauchdurcheinesehrhoheschlagunempfindlich keitundhärte.wirdeinemetallischeboulekugelaus1,5mhöheauf einehüftgelenkkugelauszirkonoxidverstärktenaluminiumoxid(bio loxdelta )fallengelassen,zeigtdiekeramikkeinebeschädigung,in derstahlkugelfindensichstattdesseneindrückedurchdiekeramik kugel. KeramischeWerkstoffesindinderRegelschlechteWärmeleiterund beihohentemperaturenbleibenkeramikenwesentlichlängerform stabilalsmetalleoderkunststoffe.wirdz.b.einbunsenbrennerauf einenstabausaluminiumoxidgerichtet,beginntdieseranderstelle, anderdieflammeauftritt,hellerzuglühenalseinstabausmetall. DieUrsachehierfüristderschlechteWärmeabtransportderzuhöhe rentemperaturandiesemortführt.trotzderhöherentemperatur verformtsichdiekeramikunterderbelastungabernicht,wohinge geneinmetallunterdergleichenbelastungverformtwird.aufgrund dieserpositivenhochtemperatureigenschaftenhatsichdietechni schekeramikinderwärmetechniketabliert(heißgasgebläse,schutz rohrefürthermoelemente, ).Ergänzendseihiernocherwähnt,dass esauchkeramischewerkstoffegibtwiez.b.sisicundalndieausge sprochengutewärmeleitersind. GegenüberchemischenAngriffensindHochleistungskeramikenäu ßerstresistentundkorrodierenimVergleichzuMetallenfastnicht. EineHüftgelenkkugelwelchez.B.ineinSäurebadgelegtwird,zeigt keinereaktion,währendesanderoberflächeeinerstahlkugelsofort zurbildungvongasenkommtalsresultatderreaktionzwischen EisenundderSäure. WeiterebesondereEigenschaftenTechnischerKeramiksinddiein derregelsehrguteelektrischeisolation,diegeringethermischeaus dehnungundgeringedichte.eineübersichtüberwerkstoffkennwer tefüraluminiumimvergleichzualuminiumoxidgibttabelle1. 25

26 KeramikimÜberblick Eigenschaft Einheit Aluminium Aluminiumoxid Härte GPa 0,5 1, EModul GPa ~400 Festigkeit MPa * Risszähigkeit MPam Dichte g/cm³ 2,9 3,9 Schmelztemperatur C Anwendungstemperatur C Wärmedehnung 10 6 K 1 ~24 ~8 Wärmeleitfähigkeit W/mK Durchgangswiderstand 20 C cm ~10 6 ~ *ZirkonoxidverstärktesAluminiumoxid Tabelle1:EigenschaftsvergleichAluminium/Aluminiumoxid DurchdieBindungdesSauerstoffsandasMetallentstehteinganz andererwerkstoffundesergebensichganzanderewerkstoffkenn werte.dergrundliegtindenverändertenbindungszuständen(folie Bindungszustände).WährendsichimMetalldieElektronenfreizwi schendenatomrümpfenhinundherbewegenkönnen,istdiesinder KeramiknichtmehrderFall.DieElektronenkönnensichnurnoch zwischenzweibestimmtenatomrümpfenaufhalten.esliegenkova lentionische Bindungsverhältnisse vor. Diese sehr starre Bindung führtzudersprödigkeitundhohenhärtederkeramik,aberauchzu dersehrgutenelektrischenundthermischenisolationsowiedergu tenhochtemperaturbeständigkeit. KeramikundMetallverhaltensichunterBelastungsehrunterschied lich.währenddiekeramikbiszumbruchnurreinlinearelastisch beanspruchtwird,verformensichdiemeistenmetallenabeinerbe stimmtenspannungplastischbevorsiereißen.durchdasgrundsätz

27 lichanderebruchverhaltenderkeramikhatsichdiezugprüfungzur CharakterisierungderFestigkeitenunddesEModulsnichtbewährt. Stattdessen hat sich die Bestimmung der Vierpunktbiegefestigkeit etabliert. Hierbei wird ein Vierkantstäbchen mit einer definierten OberflächenrauheitaufzweiAuflagergelegtundüberzweiweitere Auflagervonobenbelastet(sieheFolie BestimmungderFestigkei ten ).Zubeachtenist,dassFestigkeitswerteausZugversuchennicht identischsindmitfestigkeitswertenausbiegeversuchen.diewerte ausbiegeversuchenliegenhöheralsdieergebnisseausdenzugver suchen. EbenfallssehrguteEigenschaftenweisenkeramischeWerkstoffein tribologischensystemenauf.dabeihängendiemessgrößenreibung und Verschleiß sehr stark von den Beanspruchungs und Umge bungsbedingungenab.verschleißundkorrosionsindalsokeinerei nenwerkstoffkennwertesondernsystemeigenschaften.dietribolo gischeeignungvonpaarungensolltedaherauchimmersehranwen dungsnahüberprüftwerden.einemöglichkeit,umdieabrasionsbe ständigkeiteineswerkstoffesgegenüberkleinenpartikelnzutesten, istderstrahlverschleiß.unterbestimmtenwinkelnwirdeinstrahl mediumaufdieoberflächedeszutestendenwerkstoffesgeschos sen.nacheinerdefiniertenzeitwirddergewichtsverlustgemessen undderwertfürenvolumenverschleißberechnet.dabeiverschlei ßenkeramischeWerkstoffeinderRegelwesentlichlangsamerals Metalle.DiesenEffektkommtzumBeispielbeiderAuskleidungvon RohrenfürRauchgasentschwefelungsanlagenzumTragen.DieAus kleidungvonrohrenmitkeramikkachelnhatsichdortbewährt.(fo lie Praxisbeispiel Verschleißschutz ).Nebenderdeutlichhöheren StandzeitspielendiedurchverlängerteWartungsintervallereduzier ten Instandhaltungskosten eine wesentliche Rolle. Ebenfalls sehr positivsinddiemitkeramischenwerkstoffenerzielbarenniedrigen Reibungswerte.EineklassischeAnwendunghierfüristdieWasser hahndichtung.eineeherexotischeanwendungistdereinsatzkera mischer Noppen in Gummi für die Anlaufspuren der Sommer SprungschanzenbeimSkispringen.Nebenderdeutlichreduzierten ReibungistdasSystemauchwesentlichleiseralsihrmetallischer 27

28 KeramikimÜberblick VorgängerundermöglichteinperfektesGleitenderSkieraufder Anlaufspur KeramischeWerkstoffeinderTechnik KeramischeWerkstoffesindanorganisch,nichtmetallischundüber wiegendkristallin.einegängigeeinteilungdertechnischenkeramik bzw.hochleistungskeramikistdieeinordnungderbasissortenindie Klassen Silikatkeramik, Oxidkeramik und Nichtoxidkeramik,wie aufderfolie KeramischeWerkstoffe dargestellt. Silikatkeramische Werkstoffe zeichnen sich durch eine sehr gute elektrischeisolationsfähigkeitundthermoschockbeständigkeitaus. DieseWerkstoffesindimVergleichzuOxidundNichtoxidkeramik deutlichkostengünstiger.allerdingsliegendiefestigkeitendeutlich unter100mpa,somitsinddiesewerkstoffefürvieleanwendungen nichteinsetzbar.deutlichhöherefestigkeitenbeigleichguterelektri scherisolationwerdenmitaluminiumoxidwerkstoffenerzielt.hier werdenjenachfeinheitdesgefügeswertezwischenvon300und 850MPaerreicht.DieseWertequalifizierenAluminiumoxidfüreine breitepalettevonmechanischenanwendungenvondichtscheiben imwasserhahn,noppenfürskisprungschanzenbishinzuverschleiß schutzplattenimanlagenbau.dabeiliegtderschlüsselfürdieend gültigen Eigenschaften des Aluminiumoxids in der Gestaltung des Gefüges.GrobeGefüge,wiesieinden80igerJahrennochStandder Technikwaren,erzielendabeigeringereFestigkeitswerte,alssehr feinkörnige,derenherstellungmitdersyntheseimmerfeinererund reinererrohstoffqualitätenmöglichwurde(folie GefügealsSchlüs sel zu den Eigenschaften ). Weitere wichtige Vertreter der Oxid keramikammarktsind: Zirkonoxid,miteinersehrgeringenWärmedehnungund einersehrgutenthermischenisolationsfähigkeit,sowieder FähigkeitzurSauerstoffleitfähigkeit AluminiumtitanatmiteinersehrgutenThermoschock beständigkeitundschlechtenbenetzbarkeitmitmetall schmelzen 28

29 Bleititanatzirkonat,besserbekanntalsPiezokeramik DenOxidkeramikzuzuordnenwärenauchnochdieMischoxide,z.B. bestehendausaluminiumoxid,zirkonoxidundseltenenerden.durch dieverstärkungdesaluminiumoxidsmitzirkonoxidentstehenhigh EndSortenwieBiolox mitfestigkeitswertevonüber1400mpa. DiesesindbesondersfürdenEinsatzinderProthetikprädestiniert. DieFolie besonderegefüge zeigtsolcheinenkeramischenmehr phasenwerkstoff.ebenfallsaufdieserfolieistdasstängeligegefüge einersiliziumnitridkeramikzusehen.diesenadligegefügestruktur trägtwahrscheinlichdazubei,dasssiliziumnitrideinehoheunemp findlichkeitgegenüberschlagendenbeanspruchungenaufweist.von VorteilistdieseEigenschaftbeimBearbeitenvonGusswerkstoffen. Zugeordnet werden Siliziumnitride den Nichtoxidkeramiken. Eben fallszudennichtoxidengehörtderhärtestekeramischewerkstoffe, dassiliziumkarbid.diesesweistimunterschiedzudenoxidischen VertreterneinerechthoheWärmeleitfähigkeitauf.JenachGrundzu sammensetzungwerdenleitfähigkeitenvon180bis210w/mker reicht.oxidehingegenliegeneherbei15bis30w/mk.wirdneben dergutenwärmeleitfähigkeitaucheinesehrguteelektrischeisolati ongewünscht,istaluminiumnitridderwerkstoffderwahl.alumini umnitridhatsichsowohlalssubstratinderhochleistungselektronik etabliertalsauchalskühlkörpermitaufgelötetenelektrischenschal tungen. Neben diesen Basissorten existieren für spezielle Andwendungen designte Mischkeramiksorten, wie zum Beispiel SiAlONe (Silizi umaluminiumoxinitride),mittitancarbonitridenverstärktesilizium nitrideodermithartstoffenverstärktealuminiumoxide. Anhandder Werkstoffspinne wirdveranschaulicht,dassjederke ramischewerkstoffseinebesonderenstärkenhat,diewerkstoff kennwertejedocheinegewissebandbreiteaufweisen,janachdem wiediezusammensetzungunddasgefügegestaltetist. 29

30 KeramikimÜberblick Konstruktionsprinzipien DakeramischeWerkstoffezumSprödbruchneigenundSpannungs spitzennichtdurchplastischeverformungenabgebautwerdenkön nenundderwerkstoffsehrhartist,geltenandereregelnbeimkon struieren.essollteaufallefällevermiedenwerden,dasskeramische BauteileunterZugspannunggesetztwerden.EineBeanspruchungauf DruckhingegenistselteneinProblem.DieDruckspannungen,die zumversagenführen,liegeninderregelumdenfaktor10höherals diezumversagenführendenzugspannungen.umdiebildungvon Spannungsspitzenzuvermeiden,solltenscharfeKantendurchgeeig neteradienoderfasenersetztwerden.beidurchführungenistda raufzuachten,dasssieeinendeutlichenabstandzumrandbereich haben.außerdemsolltenmaterialanhäufungenbzw.unterschiedli chewandstärkenvermiedenwerden,dasiebeimsinternzuproble menführenkönnen. DieHartbearbeitungsflächensolltensogeringwiemöglichgehalten werden, da die Hartbearbeitung von keramischen Werkstoffen augrundderhohenhärtesehraufwendigundteuerist.beidicht scheibenwirdzumbeispieldiefunktionsflächemitdefiniertenrau heitsanforderungennachobenhinabgesetzt. Da die Fertigung von einfachen Geometrien kostengünstiger und unproblematischer ist, lohnt es sich auch über Modulbauweisen nachzudenken Fertigungsverfahren LiegendiewerkstoffkundlichenundgeometrischenAnforderungen aneinbauteilfest,giltesinabhängigkeitvonderstückzahl,dasge eignetefertigungsverfahrenauszuwählen.beirelativeinfachenge ometrieundhohenstückzahlenistaxialestrockenpressendasver fahrenderwahl.diebauteilewerdenimsekundentaktfertigge presst.wirdeinesehrflachekeramikplattegewünscht,istdieseüber dasfoliengießenmöglich.diegewünschtenkartengrößenwerden nochvordemsinternausderbiegsamenfoliegestanzt.beirotati onssymetrischengeometrienundsehrlangenrundenbauteilenbie 30

31 tetsichdieherstellungüberdassogenannteextrudierenan.sinddie Bauteilgeometrienkomplexer,könnendiesezumBeispielausisosta tischgepresstenvorkörpern(grünkörpern)vordemsinternheraus gearbeitetwerden.sinddiekomplexengeometriennichtallzugroß unddiestückzahlenentsprechendkannderspritzgusseingeeignetes Verfahrensein.AufderFolie FormgebungundKomplexität sind diesezusammenhängeschematischdargestellt. NachderFormgebungschließtsichderSinterprozessan.Beidieser TemperaturbehandlungerhältdieKeramikihreendgültigenWerk stoffeigenschaften.gibtesbesondereanforderungenandieoberflä cheoderpräzision,könnendiebauteilenocheinerhartbearbeitung unterzogenwerden.dieserprozessschrittistjedochsehrzeitaufwen digundkostenintensivundsolltedahersoweitwiemöglichvermie denbzw.aufdasnotwendigereduziertwerden Zusammenfassung EsgibteineVielzahlkeramischerWerkstoffemitganzunterschiedli chen,spezielleneigenschaften,welchesiealsalternativezumetallen undkunststoffenattraktivmachen.hohefestigkeiten,unempfind lichkeitgegenschlagendebeanspruchung,temperaturstabilitätund eingutesreibungsundverschleißverhaltenzeichnensieaus.dabei derkonstruktionundfertigungkeramischerwerkstoffeanderere gelnbeachtetwerdenmüssen,istesvonvorteildieauslegungder BauteilerechtzeitigundgemeinsammitdenKeramikexpertenanzu gehen. DieverwendetenVortragsfolien(Nr.1bis43)findensichaufden folgendenseiten. 31

32 KeramikimÜberblick 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie1 32

33 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie2 33

34 KeramikimÜberblick 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie3 34

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38 KeramikimÜberblick 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie7 38

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48 KeramikimÜberblick 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie17 48

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68 KeramikimÜberblick 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie37 68

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72 KeramikimÜberblick 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie41 72

73 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie42 73

74 KeramikimÜberblick 2.1KeramischeWerkstoffeimVergleichFolie43 74

75 2.2 IndustriellesProduktdesign:IntelligenteLösungenmitKeramik SandraErnst CeramTecGmbH Plochingen DieFolienfindenSieabSeite Zusammenfassung Moderne Hochleistungsanwendungen erfordern maßgeschneiderte technische Lösungen. Mit anwendungsbezogenem Produktdesign könnenintelligentelösungenmittechnischerkeramikverwirklicht werden.diewerkstoffauswahlundderherstellprozessbestimmen überdasdesigndeskeramischenbauteiles.designbeziehtsichdabei nichtnuraufdieäußereform,sondernvielmehraufdiefunktionali tät,dieeigenschaftenderkeramik(festigkeit,härte,verschleißwi derstand,thermoschock,hochtemperaturbeständigkeit,korrosions beständigkeit, Oberfläche, Lebensdauerrelevante Eigenschaften). Beim industriellen Produktdesign wird außerdem auf die Themen Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Umweltverträglichkeit geachtet. AnhandvonBeispielenwirdgezeigtwieEigenschaftsprofiledesignter keramischerbauteileaufdiediejeweiligenanwendungseigenschaf tenabgestimmtsind WasistindustriellesProduktdesign? BeimProduktdesigngehtesumdasGestaltenvontechnischenKom ponenten.imvordergrundstehtdiefunktionalitätdesbauteils,des sen Eigenschaftsprofil passende zur Anwendung designt wird. Im erstenschrittmusseinanforderungsprofilpassendzurgeplanten Anwendungerstelltwerden.WelcheFunktionsolldasBauteilinder Anwendung erfüllen? Welche weiteren Randbedingungen müssen eingehaltenwerden?diesesanforderungsprofilmussineineigen schaftsprofilderkomponenteübersetztwerden.derletzteschritt 75

76 KeramikimÜberblick umfasstdaskreiereneinesbauteils,welchesgenaudieseeigenschaf tenaufweist WiefunktioniertdasDesignvonkeramischenBauteilen? DasDesignvonKeramikbeginntmitdergezieltenAuswahldeskera mischen Werkstoffsystems. Die verschiedenen Prozessschritte bei derherstellungwerdengezieltangepasstundggf.weiterentwickelt. DiesesVorgehenwirdamThemenfeldSchneidkeramikbeispielhaft aufgezeigt Werkstoffauswahl entsprechend des Bauteileinsatzes am BeispielSchneidkeramik SchneidwerkzeugemüssenbeiderZerspanungmetallischerWerk stoffehohenmechanischenundthermischenbelastungengerecht werden. Keramische Schneidstoffe bestehen dabei auch in an spruchsvollstenanwendungen,z.b.indertrockenbearbeitungvon GusseisenwerkstoffenbeistarkunterbrochenemSchnitt. AusderSummederBelastungendesWerkstoffsinderAnwendung, obmechanisch,thermischoderkorrosiv,wirdeinanforderungsprofil erstellt. Das Anforderungsprofil wird übersetzt in ein Eigen schaftsprofil.essagtaus,welcheeigenschaftenderwerkstoffbenö tigt, um für die Anwendung geeignet zu sein. Am Beispiel der SchneidstoffesiehtdasgeforderteEigenschaftsprofilfolgenderma ßenaus: hohehärte hohedruckfestigkeit gutebiegebruchfestigkeit hohebruchzähigkeit sehrgutechemischebeständigkeit gutetemperaturwechselbeständigkeit 76

77 FürSchneidkeramikwirdeinehoheHärtegefordert.DasWerkzeug musseinehöherehärtealsdaszuzerspanendematerialhaben.nur soisteinespanbildungmöglich.diehärtemussauchbeihohen Temperaturenerhaltenbleiben.DiemaximaleSchnittgeschwindig keitistdavondirektabhängig.undistinerheblichemmaßefürdie WirtschaftlichkeiteinesBearbeitungsvorgangsmitverantwortlich. UmdenimTrennvorgangauftretendenSchnittkräftenzuwiderste hen,mussderschneidstoffdieanforderungenanhohedruckfestig keit,biegebruchfestigkeitundzähigkeiterfüllen.diesemechanischen EigenschaftenbeeinflussenzusammenmitdemReibungsverhalten zwischenscheidkeramikundwerkstoffdieverschleißfestigkeit.die istfüreinenwirtschaftlichenprozessebenfallsvonentscheidender Bedeutung. WeiterhinisteinegutechemischeBeständigkeitnötig.DerSchneid stoffmussauchbeihohentemperatureneinegeringereaktionsnei gunggegenüberdemzuzerspanendenmaterialsowieeineguteoxi dationsbeständigkeitgegenüberdemluftsauerstoffaufweisen. ZusätzlichwichtigisteineguteTemperaturwechselbeständigkeit.Die SchneidplatteistimEinsatzgroßenTemperaturschwankungenausge setzt,besondersimunterbrochenenschnitt. WiestarkdieeinzelnenEigenschaftenimVerhältniszueinanderaus geprägtseinmüssen,kannjenachanwendungsfallvariieren.fakto rensindhierderzuzerspanendewerkstoffmitseinenmechanischen EigenschaftenunddiegenaueZerspanungsaufgabe.HoherMaterial abtragbeimabdrehenvongusshautmitgeringeroberflächengüte ergibtandereanforderungenalsschnellesfeindrehenbeigeringem Vorschub. Beispielhaft sollen die Anwendungen Schruppen und Schlichtengegenübergestelltwerden. SchruppenbezeichnetbeispanendenFertigungsverfahrendasAbhe benvonwerkstoffmitgroßemspanvolumen.innerhalbmöglichst kurzerbearbeitungszeitsolldaswerkstückderendkontursoweitwie möglichangenähertwerden.dieswirddurchgroßeschnitttiefeund schnellenvorschuberreicht.derschruppvorganghinterlässtmeist raueoberflächenmitgeringermaßgenauigkeit.dieanforderungs 77

78 KeramikimÜberblick schwerpunkteandieschneidplattensindhierbeizähigkeitundtem peraturwechselbeständigkeit. FürexakteEndkonturenundhoheOberflächengütefolgtderVorgang desschlichtens.dabeihandeltessichumeinefeinbearbeitungmit hoherschnittgeschwindigkeitbeigeringemmaterialabtrag.diean forderungsschwerpunkte sind chemische Beständigkeit und hohe Härtebzw.Warmhärte. GefügeZTA GefügeSN Bild1:KeramischeGefügevonZTAundSN 78

79 FürdasSchruppenisteinSiliziumnitridSi 3 N 4 ambestengeeignet,für das Schlichten dagegen ein Zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid ZTA.DieBetrachtungdermikroskopischenkeramischenGefüge(sie heabb.1)gibtweiterehinweiseaufdieeigenschaftenderwerkstof fe.diehohebiegebruchfestigkeitundzähigkeitdessi 3 N 4 Werkstoffs kannausdernadelförmigenausbildungderkörnerabgeleitetwer den.derhomogeneverbunddesal 2 O 3 mitdemfeinverteiltenzro 2 gibtdemmaterialdiehohehärtedesal 2 O 3 beiverbesserterzähigkeit durchdieumwandlungsverstärkungdeszirkonoxids. Durch eine gezielte Einstellung des keramischen Gefüges können folglichmechanischematerialeigenschaftendesigntwerden ProzessschrittezurHerstellungdeskeramischenBauteils DieErzeugungdeskeramischenGefüges,welchesdieMaterialeigen schaftenwesentlichmitbestimmt,geschiehtimherstellungsprozess. EntscheidendistdabeidasZusammenspieldereinzelnenProzess schritte,wieinderübersichtabb.2dargestelltist. Bild2:ProzessschritteinderHerstellungvonKeramik 79

80 KeramikimÜberblick Die Rohstoffauswahl steht zu Beginn des Herstellprozesses. Jede chemischeverbindungbringtvonnaturausbestimmteeigenschaf tenmit(z.b.diehohehärtevonal 2 O 3 aufgrundderhohenchemi schenbindungsenergie). InderRohstoffaufbereitungwerdenFeinheitundFormderRohstoff partikelübermischundmahlprozessedefinierteingestellt.jenach angewandtemformgebungsverfahrenwirdimanschlussdarangra nuliertoderplastifiziert. FürdieFormgebungsteheneineVielzahlvonVerfahrenzurVerfü gung, z.b. Spritz und Extrusionsverfahren, Trockenpressen, Schli ckergussoderfoliengießen.dieauswahldesverfahrenserfolgtan handderkomplexitätderbauteilgeometrieundwirtschaftlicheras pekte.zumbeispielwerdendünnwandige,komplexebauteilemit Hochdruckspritzverfahrenhergestellt.DieEndkonturnaheGeometrie istbesonderswirtschaftlich. Ein weiterer charakteristischer Teilprozess bei der Keramik HerstellungistdasBrennenderKeramik,dasSintern.Erstdurchdas SinternerhältderkeramischeWerkstoffseineEigenschaften.Wäh renddessinternskommteszuverdichtungsundschwindungspro zessenundzurausbildungdeskeramischengefüges. NachdemSinternkanneinweitererformbestimmenderSchritt,die Hartbearbeitung, folgen. Hartbearbeitung ist aufgrund der hohen HärtederKeramikmeistnurmitDiamantwerkzeugenundgeringem Materialabtragmöglich.BeispielesinddasSchleifenfürhoheMaß genauigkeitunddaspolierenzurerzeugunghoheroberflächengüte HerstellungdesWerkstoffesZTA BeiderHerstellungvonZTASchneidkeramikhabenunterschiedliche ProzessschrittezentraleBedeutungfürdieErzeugungdesGefüges unddamiteinflussaufdaseigenschaftsprofildesbauteils. DieZTAKeramikstelltbesondereAnforderungenandieMasseaufbe reitung.dieherausforderungistdabeidieabsoluthomogenevertei lungderzro 2 PhaseimAl 2 O 3,wobeiZrO 2 einedeutlichhöherespezi fischedichtealsal 2 O 3 hat.aufgabeistdieerzeugungeineshomoge 80

81 nenausgangsproduktsfürdenformgebungsprozess.imfallderzta SchneidkeramikverläuftdieGrünformgebungüberTrockenpressen. DafürmusseinhomogenesundrieselfähigesGranulaterzeugtwer den. Die Rohstoffkomponenten werden gemischt und bis zur ge wünschtenpartikelfeinheitgemahlen.dieaufbereitungerfolgtüber einen keramischen Schlicker, d.h. eine Dispergierung der kerami schenpartikelinwasserodereinemanderenlösungsmittel.dieher ausforderung liegt dabei in der homogenen Verteilung der ZrO 2 PartikelzwischendenAl 2 O 3 Partikeln.DasSystemmussgutstabili siertsein,d.h.dieeinzelnenpartikelmüsseninschwebegehalten werden. So können weder Entmischungsvorgänge noch Sedi mentationsprozessediedispersionzerstören.zurstabilisierungder Keramiksuspensionen werden spezielle Additive zugegeben. Die GranulatherstellungerfolgtübereinenSprühtrocknungsprozess. AmBeispieldesSchneidkeramikWerkstoffesZTAwurdegezeigt,wie durch gezielte Einstellung der Herstellungsparameter die kerami scheneigenschaftenmaßgeschneidertwerdenkönnenunddamitdas fürdieanwendungbenötigeeigenschaftsprofilerzeugtwerdenkann (vgl.abb.3). Bild3:ProduktdesignausKundenundHerstellersicht 81

82 KeramikimÜberblick WievielfältigsinddieAnwendungsmöglichkeitenfür BauteileaustechnischerKeramik? IndustriellesProduktdesignistfüreineenormeVielfaltvonAnwen dungeninvergleichbarerweisemöglich.diessollimfolgendenan hand ausgewählter Anwendungsbeispiele gezeigt werden, die nur einenausschnittdermöglichenanwendungenabdecken DichtundRegelscheiben EineklassischeAnwendungfürtechnischeKeramikunddenWerk stoffaluminiumoxidbildendichtundregelscheiben,diebeispiels weiseinsanitärarmaturen,kaffeemaschinenundchemischenanaly segeräteneingesetztwerden.dieentscheidendenvoraussetzungen fürdieseanwendungsindhervorragendetribologischeeigenschaften deroberfläche,chemischeinertheitundhohehärte.fürdiepräzisi onsgeschliffenenundpoliertenbauteilebedeutetdasaußergewöhn liche Langlebigkeit und optimale Dichtfunktion auch bei höheren TemperaturenundDruck.GleichzeitigbestehtdieHerausforderung darin,fürdiesemassenproduktebauteilemitkomplexengeometri schenmerkmaleninhohenstückzahlenwirtschaftlichzuproduzie ren.diesstelltbesondereanforderungenandieverarbeitetekerami schemasseunddieprozesssicherheitbeidennachfolgendenpro zessschritten,insbesonderebeimsinternundhartbearbeiten KühlkörperfürHighPowerLEDSysteme FürdieKühlkörperinHighPowerLEDssindguteelektrischeIsolierfä higkeitundhohedurchschlagfestigkeitentscheidendeeigenschaften. EinweitererVorteilistdieKorrosionsbeständigkeitderBauteile.Die KühlkörperkönnenwieherkömmlichekeramischeSubstratedirekt metallisiert werden und damit als Schaltungsträger dienen. Dem kommtauchderanhalbleitermaterialenangepasstewärmeausdeh nungskoeffiziententgegen.beianwendunginsystemenmitbeson ders hohem Wärmeüberschuss kommt der Werkstoff Aluminium nitridinfrage,derdiescheinbarwidersprüchlicheneigenschaften derelektrischenisolationmiteinersehrhohenwärmeleitfähigkeitin sichvereint. 82

83 IsolationsstückefürBremse HervorragendethermischeIsolierwirkungbringtdenentscheidenden VorteilineinemweiterenAnwendungsbeispiel.InderBremsevon SportwagenmussdieBremsflüssigkeitvorderbeimBremsenentste hendenreibungshitzegeschütztwerden.dieanforderungenerfüllt einmagnesiumstabilisierteszirkonoxiddurchseinegeringewärme leitfähigkeit FunktionselementefürFleischwolf EinespannendeWerkstoffkombinationfindetsichimSchneidwerk von industriell eingesetzten Fleischwölfen: Messer aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid schneiden auf Lochplatten aus Silizium nitrid.dassystemistimvergleichzustandardmäßigverwendetem Edelstahlunglaublichverschleißfest.DieEdelstahlplattezeigtnach einemdurchsatzvon200tfleischbereitsdenkritischenverschleiß von2mm,währendimkeramischensystemderabriebnach2000t Durchsatzlediglich2µmbeträgt(sieheAbb.4) Kritischer Verschleiß Verschleiß [µm] ~ 2 - ~ Metall Faktor 1000 Keramik Durchsatzmenge [t] Bild4:VerschleißanFunktionselementen/Durchsatzmenge 83

84 KeramikimÜberblick Dadurchentstehteinwirtschaftlicher Vorteil,dadieSystemeviel seltenerausgetauschtwerdenmüssen.einweitererentscheidender Vorteil ist aber, dass weniger Abrieb des Schneidwerks in die Fleischmasse gelangt. Für diese Anwendung ist selbstverständlich auch die Lebensmittelverträglichkeit der verwendeten Werkstoffe gefordert EndoprothesenfürkünstlicheGelenke AlsWeiterentwicklungderZTAKeramik,diealsBeispieleinesoxidi schen Schneidwerkstoffs gezeigt wurde, ist die sogenannte ZPTA Keramikzusehen.ZPTAbedeutet zirconiaplatelettoughenedalumi na.imkeramischengefügewirktalsoeinzusätzlicherverstärkungs mechanismusdurchplättchenförmigepartikelzwischendenisomet rischenaluminiumoxidundzirkonoxidkörnern.dadurchergibtsich fürdiemechanischenkennwertebiegefestigkeit,verschleißbestän digkeitundbruchzähigkeiteinesignifikanteverbesserung.typische AnwendungendieserKeramiksindBauteilefürdenGelenkersatz,z. B.KnieoderHüftgelenksimplantate BeschichteteSchneidkeramik DurchdieBeschichtungvonSchneidkeramiklassensichderenEigen schaften weiter optimieren. Dies funktioniert mit oxidischen ZTA Werkstoffen, mit Si 3 N 4 Schneidkeramik und mit der Mischkeramik Sialon(Si 3 N 4 Al 2 O 3 ).DieVerwendungvonSialonalsSubstratwerk stoffbringthöherehärteundchemischebeständigkeit.dadurchwird derverschleißauchbeihöherentemperaturenminimiert.jenach ZusammensetzungderSchichtkanndieseeinenthermochemischen Schutz für den Substratwerkstoff bedeuten, die Oberflächenhärte nochmalssteigernoderdietribologischeneigenschaftenoptimieren. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit der spanenden Bearbeitung durchhöherebearbeitungsgeschwindigkeitenundhöherewerkzeug standzeitenweitergesteigert. 84

85 2.2.4Fazit DieAuswahlkonkreterAnwendungsfällevonKeramikbauteilenzeigt, dass die Werkstoffgruppe der technischen Keramik für vielfältige EinsatzmöglichkeitenherausragendeLösungenbietet.Durchanwen dungsbezogenes Produktdesign können über gezielte Rohstoffaus wahlunddaszusammenwirkenderherstellungsschrittekeramikbau teile mit spezifischem Eigenschaftsprofil kreiert werden. Keramik wird bereits in unzähligen Einsatzgebieten verwendet und ist oft nichtaufdenerstenblicksichtbar,abervonentscheidenderfunktio nellerbedeutung. DieverwendetenVortragsfolien(Nr.1bis24)findensichaufden folgendenseiten. 85

86 KeramikimÜberblick 2.2IntelligenteLösungenmitKeramikFolie1 86

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88 KeramikimÜberblick 2.2IntelligenteLösungenmitKeramikFolie3 88

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98 KeramikimÜberblick 2.2IntelligenteLösungenmitKeramikFolie13 98

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100 KeramikimÜberblick 2.2IntelligenteLösungenmitKeramikFolie15 100

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102 KeramikimÜberblick 2.2IntelligenteLösungenmitKeramikFolie17 102

103 2.2IntelligenteLösungenmitKeramikFolie18 103

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109 2.2IntelligenteLösungenmitKeramikFolie24 109

110 KeramikimÜberblick 2.3 RapidPrototypingalsSchlüsselzurErschließungneuer AnwendungenundMärkte MathiasWilde MicroCeramGmbH Meißen DieFolienfindenSieabSeite110. FürdieErschließungneuerAnwendungsgebieteundMärktesindin derregelimvorfeldeinereihevonversuchenbzw.machbarkeits studienerforderlich.imrahmenvonentwicklungsprojektenistes dazuvorteilhaft,deningenieurenunddesignernmöglichkeiteneiner schnellen und kostengünstigen Prototypenherstellung zu ermögli chen,bevorinkostenintensivepressbzw.spritzgusswerkzeugein vestiertwerdenmuss.auchspieltderzeitfaktorbeiderentwicklung neuerprodukteeinebedeutenderolle. AnhandvonausgewähltenBeispielensollendieseMöglichkeitenvon derprototypenentwicklungbiszumserienteildargestelltwerden ZurDrucklegungdesBucheswarkeinezusätzlicheAusarbeitungzum Vortragverfügbar.WirmöchtenSiebitte,sichwegenTextenund DetailsdirektandenAutorzuwenden.DieKontaktdatensind: Tel: Fax: DieverwendetenVortragsfolien(Nr.1bis16)findensichaufden folgendenseiten. 110

111 2.3RapidPrototypingFolie1 111

112 KeramikimÜberblick 2.3RapidPrototypingFolie2 112

113 2.3RapidPrototypingFolie3 113

114 KeramikimÜberblick 2.3RapidPrototypingFolie4 114

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124 KeramikimÜberblick 2.3RapidPrototypingFolie14 124

125 2.3RapidPrototypingFolie15 125

126 KeramikimÜberblick 2.3RapidPrototypingFolie16 126

127 3. KeramikinVerbindung 3.1 EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbund RolandZils FriatecAGFrialit Degussit Mannheim Einleitung DieFolienfindenSieabSeite150 DererfolgreicheEinsatzvonkeramischenBauteilenhängtimmervon dergenauenkenntnisdereinsatzparameterunddereinbausituation ab.nebendenthermischenundmechanischenbelastungen,dieauf denwerkstoffeinwirkenistesdaherebenfallsvongroßerbedeutung zuwissen,wiediekeramikindiegesamtkonstruktioneingebunden ist. FürdenVerbundstehendieausderklassischenMechanikbekannten Kombinationen aus Kraftschluss, Formschluss und Stoffschluss zur Verfügung. IndiesemVortragsollanhandvonBeispielenausdenunterschiedli chenbereichendertechnikaufausgewählteverbindungstypenund derenkonstruktionsprinziphingewiesenwerden Werkstoffcharakteristik UmdieKompatibilitätdereinzelnenWerkstoffebewertenzukönnen, istesnotwendigdiewichtigstenwerkstoffkennwertezuwissen.

128 KeramikinVerbindung Tabelle1:EigenschaftenvonWerkstoffen 128

129 WichtigeWerkstoffkenngrößen,diedieFunktionsfähigkeitderWerk stoffkombinationenbeeinflussensindinbild1dargestellt. NebenderGrundkenntnis,dasskeramischeWerkstoffebesserauf DruckalsaufZugzubelastensind,istwichtigzuwissen,dassdie thermischeneigenschaftenderkeramikenvielfachanderssindalsdie dermetalle. EinPunkt,der,wiepraktischeErfahrungenzeigen,leichtvernachläs sigtwird,istdiebeivielenkeramikenimvergleichzudenmetallen vorhandeneunterschiedlichewärmeausdehnung. ImklassischenMaschinenbaumitAnwendungenbis350 CsindLän genänderungenaufgrundderwärmedehnunggenausozuberück sichtigen,wieimofenbaubiszutemperaturen>2.000 C. EinBeispielsollzeigen,welchekleinen,abermanchmaldochent scheidendendifferenzenbeieinertemperaturerhöhungauftreten. BeiderKombinationeinerWellenhülseausAl 2 O 3 miteinemwär meausdehnungskoeffizienten(wak)=8,5*10 6 /KundeinerWelle ausedelstahl1.4571mit=16,8*10 6 /KdehntsichderDurchmesser (D=40mm)derWellebeiTemperaturerhöhungum150 Kstärkeraus alsderderkeramik.wäredieverbindungalspassungmitgeringem Spiel z.b. H7/h6 ausgelegt worden, so hätte die unterschiedliche Ausdehnung schon zu einem Aufsprengen der keramischen Hülse führenkönnen. AusdehnungAl 2 O 3 : 40mm*(8,5*10 6 /K)*150 K=0,051mm Ausdehnung : 40mm*(16,8*10 6 /K)*150 K=0,1mm Fügeverfahren Eine Übersicht zu den wichtigsten Fügeverfahren von Keramik Metallverbindungen (KMV) und KeramikKeramik Verbindungen (KKV)istinBild1dargestellt. 129

130 KeramikinVerbindung Bild1:ÜbersichtvonFügeverfahren[1] 130

131 KraftschlüssigeVerbindungen KraftschlüssigeVerbindungensetzeneineNormalkraftaufdiemitei nanderzuverbindendenflächenvoraus.diedarausresultierende HaftreibungverhinderteinLösenderVerbindung Presspassungen EinBeispielfürdenkeramikgereichtenKraftschlussistdiePressver bindungzwischeneinemkeramischeninnenundeinemmetallischen Außenteil. UmdenäußerenmetallischenKörperüberdenmitÜbermaßgefer tigtenkeramischenkernzuschieben,mussdasaußenteilerwärmt werden.beimerkaltenbildetsicheinepressverbindungdurchdas AufschrumpfendesAußenteilsaufdieKeramik.DakeramischeWerk stoffesehrgutdruckkräfteaufnehmenkönnen,kommtdieseskon struktionsprinzipdenfestigkeitseigenschaftenderkeramikentgegen. Ein klassisches Beispiel für eine solche Schrumpfverbindung sind PressmatrizenbestehendauseinemMgPSZ(FRIALITFZM)Innenbau teilundeineraufnahmeaushochfestemvergütungsstahloderwerk zeugstahl. DurchdenaufgeschrumpftenäußerenRingwerdenaufdieinnenlie gendekeramikzusätzlichdruckkräfteinduziert,sodassderverbund KeramikMetalldiedurchdenPressvorgangerzeugtenSpannungen problemlosaufnehmenkann.diekeramikselbstdientzurverbesse rungdesverschleißverhaltensundzurverringerungderkorrosion. DesWeiterenwirddieKontaminationdesEndproduktesmitschädli chemmetallischenabriebausgeschlossen. PressverbindungenbestehendausinnenliegendemZiehringausZTA (FRIALITFZT)undSchrumpfringausVergütungsstahlhabensichbeim TiefziehenvongroßenÖlfilterpatronenebenfallsbestensbewährt. Dass die Pressverbindungen recht stabil, sind zeigen hausinterne VersucheanPresspassungenbestehendauseinemmetallischenAu ßenringundeineminnenliegendenkeramischenZylindermitDurch messervon19mmundeinerlängevon17mm.dieerforderliche KraftzumLösenderVerbindungbetrug25kN. 131

132 KeramikinVerbindung DurchEinfügeneinerzusätzlichenZwischenlageausduktilemMetall zwischeninnenundaußenteilkönnensogarvakuumdichteverbin dungenrealisiertwerden. Bild2: PressmatrizenaufFRIALITFZM Klemmen Werden bei KeramikMetallverbindungen keine oder nur geringe Drehmomenteübertragen,soeignensichKlemmverbindungen. BeidieserKonstruktionist,wieeingangsbereitserwähnt,dieDiffe renzderthermischenausdehnungskoeffizientenzuberücksichtigen. BeispielefürKlemmverbindungenfindensichzumBeispielimPum penbau, wie etwa Runddichtungen (ORinge) bei keramischen GleitringdichtungenundToleranzringebeikeramischenGleitlagern aufeinerstahlwelle,wieinbild3dargestellt. 132

133 Bild3:VerbindungmetallischeWellem.keramischerWellenhülse[3] ToleranzringebestehenauseinemgewelltenBandauskorrosionsbe ständigemstahl.deraufdemumfangnichtgeschlosseneringwird ineineflacheringnutinderwelleoderindernabeeingelegt.beim FügenderWelledehntsichderRinginUmfangsrichtungaus,wobei eineleichtepressungentsteht.zurübertragungvondrehmomenten istdertoleranzringallerdingsungeeignet. AuchderkeramischeSpalttopfausMgPSZ(FRIALITFZM)wirddurch einenüberwurfringdurchklemmenmitdempumpengehäusever bunden. TrotzdesanStahlguss(z.B )oderGusseisen(z.B.GJL250) angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Spalttopfes aus FRIALITFZMistdaraufzuachten,dasszwischenÜberwurfringund SpalttopfeinezusätzlicheFlachdichtungzulegenist,umunkontrol liertespannungenzuegalisieren. Keramische Spalttöpfe werden bevorzugt in hermetisch dichten Pumpeneingesetzt,beidenendaszuförderndeMediumkeinerlei 133

134 KeramikinVerbindung WärmeeintragvonaußenoderVerunreinigungenübereinFremd mediumvertragenkann. Da keramische Spalttöpfe absolut unmagnetisch sind, werden in IhnenauchkeinerleiWirbelströmedurchdasrotierendeMagnetfeld induziert. Wirbelströme in metallischen Spalttöpfen (z.b ) sorgenfüreineverringerungdeswirkungsgradesderpumpeund könnengleichzeitigeineschädlicheüberhitzungdeszufördernden Mediumsbewirken.KeramischeSpalttöpfehabensichineinerViel zahlvonkritischenmedien,wiewärmeträgerölebis350 C,Schweröl bis160 CoderEthylenoxidbewährt[3]. Bild4: VerbindungKeramischerSpalttopfmitPumpengehäuseund Flansch[3] 134

135 Verschrauben DiebekanntestekraftschlüssigeVerbindunginderTechnikistdie Verschraubung.Auchdieselässtsich,wieBild5zeigt,mitkerami schenwerkstoffenrealisieren. BeiAnwendungenimBereichderRaumtemperaturlassensichmetal lischeaußengewindeträgerproblemlosineinkeramischesinnenge windeeinschrauben. BeidemAnbringenvonAußengewindeanKeramikistzuberücksich tigen,dassdasgewindeeineerhöhtesollbruchgefahrdarstellt. FertigungstechnischsindInnengewindemitmodernenultraschallun terstütztemschleifen(ultrasonic)effektivzufertigen.weitausweni geraufwendigisteineverschraubung,wenndieanwendungstan dardschraubenausmetallunddaseinklebeneinermetallischenge windebuchseindaskeramikbauteilzulässt. Bild5:SchraubenundMutternausFRIALITFZM 135

136 KeramikinVerbindung FormschlüssigeVerbindungen DasEingießennimmteineZwischenstellungzwischenformschlüssi gerundstoffschlüssigerverbindungein. UmkeramischeBauteilegegenkritischeäußereKrafteinwirkungzu schützen,oderumdieimeinbauvorhandenenzugundbiegebelas tungenaufzunehmen,werdenkeramischebauteilemitmetallischen Armierungenversehen. DabeiwirddieKeramikindermetallischenAufnahmeoderdemGe häusefixiertundderzwischenraummiteinervergußmasseaufge füllt.diesevergußmassenhabeninderregelkeinegroßenkräfte aufzunehmen,siedienenlediglichzurdauerhaftenpositionierungder KeramikimmetallischenGehäuse. Bild6:PumpeTypFRIATECRheinhütteFNCausFRIKORUND 136

137 EinBeispielstellenkeramischePumpendar.Dabeiwirddasinnere SpiralgehäuseausKeramikineinemäußerenGehäuseausGusseisen mit Kugelgraphit (GJS400) durch eine Vergußmasse aus Zement fixiert. Das äußere Gehäuse wird mit den Rohrleitungen und der Bodenplatteverbundenundkommtnichtmitdemzufördernden MediuminKontakt.KeramischePumpenaussäurefestemSteinzeug, wiedertypfnc,habensichhervorragendinanwendungenbewährt, beidenenderwerkstoffsowohldurchkorrosionalsauchdurchab rasionbeanspruchtwird.eintypischesbeispielistdietio 2 Herstel lungnachdemchloridverfahren,beidemgroßemengensalzsäure haltigetio 2 Schlackenanfallen[2] StoffschlüssigeVerbindungen KlebenmitorganischenKlebstoffen Organische Klebstoffe sind Kunststoffe und lassen sich nach dem AbbindeMechanismusinzweiKlassenunterteilen.Beidenchemisch reagierendenklebstoffenwirddieabbindungdurchdiereaktionsty penpolymerisation,polyadditionoderpolykondensationerreicht.je nachreaktionstypunterscheidetmanzusätzlichinkaltundwarm aushärtend,sowieineinoderzweikomponentensystemen. BeiphysikalischabbindendenKlebstoffenverdunstetdasLösungs oderdispergiermittelunddiegrundstoffehärtenaus. InvielenBereichendesKlebensvonKeramikMetallbauteilenhaben sichkleberaufepoxidharzbasisbestensbewährt.diesezeichnensich durchfolgendeeigenschaftenaus[4]: gutemechanischeeigenschaften guteallgemeinechemischebeständigkeit geringeaushärtungsschrumpfung durchdenreaktionstyppolyadditioneinfache,drucklose Verarbeitung DergroßeVorteilderKlebeverbindungliegtindereinfachenKombi nationvonunterschiedlichenwerkstoffen. KonstruktivsindKlebeverbindungenjedochsozugestalten,dassdie 137

138 KeramikinVerbindung BeanspruchungmöglichstnuraufScherungund/oderZug/Drucker folgen.biegeoderschälbelastungenwirkensichungünstigaufdie Klebeverbindungaus. EinezweckmäßigeVorbereitungistgrundsätzlichdieReinigung,und wennmöglich,einleichtesaufrauenderzuklebendenoberflächen. BeikeramischenWerkstoffenhatsichdasAufrauendurchStrahlen sehrgutbewährt.beimeinklebenvonzylinderninsacklochbohrun gensolltedaraufgeachtetwerden,dassdieeingepressteluftvor demerhärtendesklebstoffsentweichenkann. KlebeverbindungenzwischenKeramikundMetallkönnenbeiAus wahlgeeigneterklebstoffeundentsprechenderklebegerechterkon struktionzugfestigkeitenbeiraumtemperaturvon50mpaerreichen. Esistjedochzubeachten,dassKlebeverbindungenmitorganischen KlebstoffeneinemAlterungsprozessunterliegenundimAllgemeinen nichtüber150 Cdauerhafterhitztwerdensollten.SpezielleHochleis tungsklebstoffekönnenjedochnochbiszuanwendungstemperatu renvon250 Ceingesetztwerden.Auchdie,jenachKlebstoffart, mehr oder weniger ausgeprägte chemische Beständigkeit, ist zu berücksichtigen. Beispiele für den sehr erfolgreichen Einsatz von KeramikMetall klebeverbindungensindkeramischekolbenmitmetallischemschaft. DiekeramischenKolbenzeigenfolgendeBesonderheiten: hoheabriebfestigkeit gutereibwertezwischenpumpendichtungundkeramischem Kolben hervorragendechemischebeständigkeit niedrigedichte EinfürBeispielanspruchsvollerAnwendungenvongeklebtenKera mikmetallverbindungensindpositionierundschweißstifte,dieim KarosseriebauallernamhaftendeutschenAutomobilherstellereinge setztwerden. 138

139 Bild7:KolbenausFRIALITF99,7verklebtmitEdelstahl KlebenmitanorganischenKlebstoffen WerdenhöhereAnwendungstemperaturengefordert,kommennur nochklebstoffeaufanorganischerbasisinfrage. DieKlebstoffebesteheninderRegelausmineralischenFüllstoffen wieal 2 O 3,ZrO 2 undmgoundeinerbindephaseauswasserglas,was serlöslichenalumosilikatenoderphosphaten.[5] Auchhierunterscheidetmanebenfallsinphysikalischundchemisch aushärtendevarianten.diesehrhäufigverwendetenaufwasserglas basierendenklebstoffehärtenunterbildungeinerräumlichvernetz tenpolykieselsäuredurchreaktionmitdemco 2 derluftaus. Die Zug und Zugscherfestigkeiten von anorganischen Klebstoffen hängensehrstarkvonderoberflächenvorbehandlungderfügepart nerab.diefestigkeitswerteliegenweitunterdenenvonorganischen 139

140 KeramikinVerbindung Klebstoffen,jenachAushärtemechanismusbei10bis20%vonstan dardmäßigenepoxidharzklebstoffen. DerentscheidendeVorteildieserKlebstoffeliegtjedochindensehr hohen Anwendungstemperaturen, die bis maximal C gehen können.graphithaltigesystemekönnenunterschutzgasbis2.900 C eingesetztwerden.dieinmanchenfällengewünschtegasdichtigkeit kannjedochnichtgewährleistetwerden LötenmitGlasloten Bild8:GlasgelöteterOzongeneratorausDEGUSSITAl23 SollenkeramischeBauteilegasdichtmiteinanderverbundenwerden, sobietetsichdasglaslötenan.diesesfügeverfahrenzeichnetsich durcheinesehrguteallgemeinechemischebeständigkeitundein 140

141 satztemperaturenbis1.100 Caus.DieRaumtemperaturfestigkeiten solcherverbindungenkönnenwertevon100mpaerreichen.ent scheidendfürdiequalitätderverbindungisteinzwischenderkera mikundglaslotabgestimmterwärmeausdehnungskoeffizient. DerGestaltungsspielraumhinsichtlichderzurealisierendenGeome trienistrechtgroß,davomfertigungsablaufdasglaslötenimver gleichzumlötenmitmetallischenlotenwenigeraufwendigist,das Löten kann unter normaler Luftatmosphäre durchgeführt werden unddiemetallisierungentfällt. Bild9 GlasgelöteteKonstruktionausDEGUSSITAl23zur Probenauslagerung KonstruktivsollteeinLötreservoirevorgesehenwerden,indaspul verförmigesglaslotsichereingebrachtwird,sowieeinausreichend großerlötspaltzuroptimalenbenetzungderzufügendenflächen. BeideminBild9dargestelltenOzongeneratorwerdenkeramische RohreandenEndenüberGlaslotmitderAufnahmeverbunden.Die Verbindungistabsolutgasdichtundchemischinnert.Einweiteres BeispielistdieinBild10dargestellteRohrkonstruktion,mitderPro 141

142 KeramikinVerbindung bekörperausdembereichderbrennstoffzellenfertigungauf1.100 C erhitztwerden LötenmitmetallischenLoten DastechnologischanspruchsvollsteFügeverfahrenstelltdasVerlöten vonkeramikmitmetallischenwerkstoffendar.dasgrundprinzipdes LötensbestehtinderthermischaktiviertenDiffusionvonAtomenaus demlotindasgitterdesgrundwerkstoffsundwiebeimlötenvon reinmetallischenpartnernfestgestellt,auchvonatomendesgrund werkstoff in das Gefüge des Lotes. Entlang der Benetzungsfläche bildetsich,jenachauswahlderverwendetenpartner,einemehr oderwenigerstarkausgeprägtediffusionszoneaus.dergrundwerk stoffverbleibtdabei,andersalsbeimschweißen,infestemzustand. DieKombinationzwischenKeramikundMetallistaufgrundderun terschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hinsichtlich der Werkstoffauswahl begrenzt und bedingt durch das geringen Be netzungsvermögensderkeramischenoberflächenfürklassischeme tallischeloteauchnichtohneweiteresmöglich.umeinausreichen desbenetzungsverhaltendesloteszuermöglichenistesnotwendig, diekeramischeflächevorherzumetallisieren,oderdaslotselbstso zumodifizieren,dasseindirektesbenetzenderkeramikstattfinden kann.hinsichtlichdeslötprozessesunterscheidetmandaherzwi schendemlötenvonmetallisierterkeramikunddemaktivlöten. DasLötenmetallisierterKeramikisteineseitmehrerenJahrzehnten erprobtetechnikzurverbindungvonkeramischenundmetallischen Bauteilen.BestensbewährthatsichdasMoMnVerfahren,beidem daskeramischebauteilanderfügestellemiteinerfeinaufgemahle nenpulversuspensionbestehendausmolybdän,mangan,sowiesili katischenzuschlägenundorganischembinder,beschichtetwird.die SchichtdickederMetallisierungbeträgtetwa1025µm. 142

143 Bild10: ProzessablaufdesLötensmittelsvorherigerMetallisierung unddesaktivlöten[1] DieseSchichtwirdanschließendbeietwa1.400 Cinreduzierender AtmosphärebestehendausWasserstoff/StickstoffundWasserdampf eingebrannt. DasManganwirdaufgrunddesFeuchtigkeitsgehaltesderOfenat mosphärezumnoaufoxidiert[5],undreagiertmitdemal 2 O 3 ander GrenzflächezuSpinell.GleichzeitigbildetsichanderOberflächeeine niedrig schmelzende Silikatphase, sowie eine poröse Sinterschicht ausmetallischemmolybdän,inderenlückendiesilicatschmelzeein dringt.währenddereinbrandtemperaturwirddieschmelzefestund dasergebnisisteineaufderoberflächederkeramikstoffschlüssig verankertebasisschicht[1].zurbesserenbenetzbarkeitwirddiese etwa10µmdickedecklagemiteiner25µmdickenschichtauskup ferodernickelgalvanischoderstromlosbeschichtet.galvanischauf 143

144 KeramikinVerbindung gebrachteschichtenmüssennichteingebranntwerden,einezusätzli chevorbehandlungkannjedochdiebenetzungsfähigkeitverbessern. DasanschließendeLötenkanninreduzierenderAtmosphäreoder Vakuumerfolgen.DadurchkannaufdieVerwendungvonFlussmittel verzichtetwerden. Bild11: SchliffbildeinerMo/MnmetallisiertenKeramik, verlötetmit DiegebräuchlichstenLotwerkstoffebasierenaufSilberKupferEutek tikum.diefestigkeitendieserverbindungenbetragenbeieinerme tallisierungsbreitevonmindestens2mmmehrals50mpa. DassogenannteAktivlötenermöglichtdieVerbindungvonKeramik undmetallineinemeinstufigenprozess,alsoohnevorhergehende Metallisierung. Durch das Zulegieren von sauerstoffaffinen Elementen wie Titan, ZirkoniumoderHafniumzudemLotwerkstoffkommtesbeimLöt prozesszueinerreaktionmitderkeramik,wodurchdiebenetzungs 144

145 fähigkeitdeslotesaufderkeramikermöglichtwird.besondersgute ErgebnissewerdenmitLotverbindungenaufBasisSilberKupferEu tektikummittitanzusätzenerzielt.dabeiistzubeachten,dasstitan gehaltegrößerals5%ungünstigefestigkeitseigenschaftenaufgrund vonsprödphasenbildungzeigen[6]. DieZugfestigkeitenvonaktivgelötetenVerbindungensindvergleich barmitdenenvonklassischüberdievorstufedesmetallisierensge löteterbauteile,dieduktilitätderaktivgelötetenverbindungistje dochgeringer. AuchwenndasUmgehenderMetallisierungzunächstaufKostenvor teileschließenlässt,soistzuberücksichtigen,dassdasaktivlötver fahren aufgrund der reaktiven Zusatzstoffe nur im Vakuum oder Edelgasatmosphäredurchgeführtwerden.DesWeiterenbedarfes einergenauenofenführung,umeinersprödphasenbildungentge genzutreten. Aufgrund der schlechten Fließeigenschaften werden einfachestirnkantenlötungenbevorzugt,umfangslötungenerfordern einenzusätzlichenkonstruktivenaufwand. DieseBesonderheiten,sowiedieTatsache,dassdieReaktionszone vonaktivgelötetenbauteilennuretwa5µmbeträgt,imvergleichzu Schichtdickenvon200µmbeimLötenvonmetallisiertenKeramiken, zeigen,dassfürdieherstellungvonzuverlässigen,reproduzierbaren AktivlotverbindungeneinegenaueProzesskenntniserforderlichist. NebendemetabliertenGrundwerkstoffAluminiumoxidlassensich auchanderekeramikensowohlüberdasaktivlötenalsauchüber speziellemetallisierungsverfahren,wiecvd(chemicalvapourdepo sition)oderpvd(physicalvapourdeposition)verlöten[5].verbin dungenvonsicundsi 3 N 4 mitmetallensindmöglich,habenaber nochnichtdenkommerziellenstandderkonstruktionenaufbasis vonaluminiumoxiderreicht.beidemwerkstoffmgpszistzubeach ten,dasbeitemperaturen>1.000 CPhasenumwandlungenbegin nen,diezuderzerstörungderkeramikführen.somitstelltdasakiv lötenfürdiesenwerkstoffeinbewährtesverfahrendar. 145

146 KeramikinVerbindung Bild12: GroßerIsolatormitDAFlansch=500mmfüreine Vakuumkammer Konstruktionshinweise DabeimLötensowohlKeramikalsauchMetallaufTemperaturenum 800 Cerhitztwerden,istesnotwendigeinigeKonstruktionsprinzipien zuberücksichtigen,sowieeinegeeignetewerkstoffauswahlzutref fen. UmbeimLöteneinenoptimalenLötspaltzugarantieren,dürfensich MetallundKeramikwährenddesLötprozessesnichtzuweitaufgrund der thermischen Ausdehnung voneinander entfernen. Dies kann durchsogenanntethermischangepasstemetalle,wieetwadieunter den Handelsnamen Vakodil (Ni 42=1.3917) oder Kovar (NiCo29 18=1.3981) bekannten Legierungen, sichergestellt werden. Diese WerkstoffelassensichimAnschlussandasLötensehrgutmitEdel stählen und Nickelbasislegierungen verschweißen, wodurch eine nahezuuniversellebandbreiteaneinbaumöglichkeitengewährleistet 146

147 wird.eineauswahldermöglichenwerkstoffefürdiekombination mitkeramikistintabelle2dargestellt. DesWeiterensindübermäßigeZugspannungenindemWerkstoff verbundkonstruktivzuvermeiden.diesekönnendurchrissbildung imlötverbundzuundichtigkeitenführen,odersogardiezerstörung derkeramikbewirken. IdealerweiseverwendetmanbeigroßenBauteilendiesogenannte Umfangslötung.DadurchwirdaufdieKeramikeinedemWerkstoff entsprechende,günstigedruckspannunginduziert.deroptimalesitz desmetallswirddurchmaßgenauesschleifenderkeramikanden Fügeflächenerzielt.SelbstbeigroßenBauteilenkönnensomitLeckra ten<10 10 mbar*l/srealisiertwerden. Metallwerkstoff Lotwerkstoff Werkstoff Solidus Liquidus Kurzbezeichnung Typ Nr.: ( C) ( C) S235JR(St372) SnAg X5CrNi1810 AgCu X6CrNiTi1810 AgCu26,5Ti X6CrNiMoTi17122 AgCu21Pd Ni42 AuNi NiCo2918 CuGe NiCo2823 AuCu OF Cu SE Cu NiMo16Cr16Ti CuNi44 CW451K CuSn5 Reinmetalle >99% Ti, Ni, Nb, Mo, Ag,Pt Tabelle2: AuswahlvonmetallischenWerkstoffenund Lotwerkstoffen 147

148 KeramikinVerbindung KombiniertesSintern EineweitereMöglichkeitKeramikmitMetallzuverbindenistdas gemeinsamesinternbeiderwerkstoffewährenddesbrennprozesses. DieKeramikschwindetdabeiaufeinenKörperauseinerhochtempe raturbeständigenmetallodercermetauf.einederwenigenwerk stoffe die dafür in Frage kommen ist Platin, das neben einem Schmelzpunktvon1.772 CübereineexzellenteOxidationsbeständig keitverfügt.dasparadebeispielfürdenäußersterfolgreicheneinsatz diesertechnikstellenmesszellenfürmagnetischinduktivedurch flussmessgeräte(mid)dar.dasfunktionsprinzipdieserdurchfluss messeristdasfaraday'scheinduktionsgesetz,nachdemeinineinem MagnetfeldbewegterLeitereineSpannunginduziert.DieFließge schwindigkeitdeselektrischleitendenmediumskorreliertdabeimit derinduziertenspannung. Bild13:MesszellenfürmagnetischinduktiveDurchflussmesser DerzumSpannungsabgriffbenötigteLeiter,einPlatindrahtoderwie beidenmidneuerergenerationeinaufplatinbasierenderceremt [7],wirdimVerbundmitderKeramikdesTypsFRIALITFZMgesintert. 148

149 Varianten mit Ceremtelektroden zeigen Leckraten <10 10 mbar*l/s undkönnenbiszueinemberstdruckvon>1.000barbelastetwerden Diffusionsschweißen BeimDiffusionsschweißen,oderauchPressschweißengenannt,wer den Bauteile bei höheren Temperaturen, aber unterhalb des Schmelzpunktesmiteinanderverbunden.DurchDiffusionsschweißen könnensowohlkeramischebauteileuntereinanderodermitmetalli schenbauteilenverbundenwerden[5].diezufügendenbauteile müssenandenkontaktflächenhinsichtlichderoberflächengüteund denformtoleranzenmitderbenötigtenpräzisionbearbeitetwerden, sodassimsinterprozesseinestoffschlüssigeverbindungdurchdiffu siondereinzelnengefügebestandteileentsteht. Bild14:PumpenlaufräderausFRIALITFZMundFRIALITF99,7 149

150 KeramikinVerbindung EinBeispielfürkomplexekeramischeBauteile,dieüberdiesesFüge verfahrengefertigtwurden,sindkeramischepumpenlaufrädermit gebogenenschaufeln Zusammenfassung DieausgewähltenBeispieleverdeutlichen,wievielfältigdieMöglich keitensindkeramikmitkeramikodermitmetallenzukombinieren. VielfachwerdendieVerbindungsartenmitdemKundenzusammen erarbeitet.diejeweiligenverbindungstechnikensinddenbauteilan forderungenentsprechendangepasst.grundlagejederkonzeptionist die Gewährleistung höchstmöglicher Verfügbarkeit, je nach Belas tungsfallabgestimmtaufdieeinbausituation,diezufügendenwerk stoffe,sowiediewirtschaftlicherealisierbarkeit Quellenangaben: [1]HelmutMayer;FügenvonOxidkeramik,cfi/Ber.DKG85(2008) [2]RolandZils;WerkstoffeimPumpenbau, ChemieIngenieurTechnik4/2008 [3]JürgenKonrad;Keramikspalttöpfeinmagnetgekuppelten Pumpen,WerksveröffentlichungderFirmaDickow [4]Bergmann;WerkstofftechnikBand2,HanserVerlag [5]Kriegesmann;Fügetechnik,VorlesungsskriptderFHKoblenz [6]Dr.W.Weise,W.Malikowski,Dr.W.Böhm;Verbindenvon KeramikmitKeramikoderMetalldurchAktivlötenunterAron odervakuum;degussaaghanau [7]HelmutMayer;OxidkeramischePräzisionsmeßzellenfür magnetischinduktivedurchflußmessungen DieverwendetenVortragsfolien(Nr.1bis23)findensichaufden folgendenseiten. 150

151 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie1 151

152 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie2 152

153 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie3 153

154 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie4 154

155 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie5 155

156 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie6 156

157 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie7 157

158 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie8 158

159 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie9 159

160 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie10 160

161 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie11 161

162 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie12 162

163 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie13 163

164 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie14 164

165 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie15 165

166 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie16 166

167 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie17 167

168 KeramikinVerbindung 3.1EinsatzvonOxidkeramikenimWerkstoffverbundFolie18 168

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