Keramische CNC-Bearbeitung: Prozesse, Werkstoffe und Anwendungen

Keramik-CNC-Bearbeitung

Keramik CNC-Bearbeitung Keramik ist unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Elektronik und in industriellen Anwendungen beliebt. Sie zeichnet sich durch unübertroffene Härte, Temperaturbeständigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Die Verarbeitung von Keramik umfasst die Auswahl aus verschiedenen Struktur- und Hochleistungskeramiken und die Anwendung geeigneter Fertigungsstrategien. Die Bearbeitung erfolgt durch Grün-, Schrüh- oder Sinterkeramikbearbeitung. 

Darüber hinaus berücksichtigt der Maschinenbediener auch Faktoren wie Werkzeugtyp, Schnittparameter, Spannvorrichtung und Teilekomplexität. Der allgemeine CNC-Bearbeitungsprozess ist jedoch nach wie vor unkompliziert und beginnt mit der Materialauswahl bis hin zur Qualitätskontrolle. 

Dieser Artikel behandelt all diese Aspekte der Keramikbearbeitung.

 

Was ist Keramik-CNC-Bearbeitung?

Die CNC-Bearbeitung von Keramik ist der Einsatz computergesteuerter Schneidmaschinen und Werkzeuge zur Herstellung von Präzisionsteilen aus verschiedenen Keramikarten. 

Keramik-CNC-gefräste Teile

Keramik unterscheidet sich von Metallen und anderen Materialien dadurch, dass sie sehr spröde und hart ist. Daher müssen die Werkzeuge und Maschinen für die Keramikbearbeitung spezialisiert sein. Als erfahrene Anbieter von CNC-Bearbeitungsdienstleistungen können wir bestätigen, dass die Bearbeitung keramischer Werkstoffe eine eigene Disziplin darstellt. Es vereint die Möglichkeiten der Präzisionstechnik mit fortschrittlicher Materialwissenschaft. 

 

Gängige Keramikarten für die CNC-Bearbeitung

Die gängigen maschinell bearbeiteten Keramiken lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Strukturkeramiken und Hochleistungskeramiken. Erstere sind vorwiegend auf Festigkeit ausgelegt. Hochleistungskeramiken hingegen werden für spezifische Eigenschaften wie chemische Beständigkeit oder elektrische Leitfähigkeit entwickelt. 

Strukturkeramik

Gängige Strukturkeramiken sind Aluminiumoxidkeramik, Cordieritkeramik, Zirkonoxidkeramik, Mullitkeramik, Siliciumcarbidkeramik und Steatitkeramik. 

Aluminiumoxidkeramik Die Bearbeitung von Aluminiumoxidkeramik ergibt harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oxidkeramikteile. Die Materialformel lautet Al₂O₃. 

Industrielle Aluminiumoxidkeramik

Cordierit Keramik Diese Keramikart zeichnet sich durch gute Temperaturwechselbeständigkeit und geringe Wärmeausdehnung aus. Sie wird in Öfen und Katalysatoren eingesetzt. 

Zirkonia Keramik Die Formel für diese Strukturkeramik lautet ZrO₂. Die Keramik wird auch Zirkoniumdioxid genannt. Das weiße, kristalline Material wird auch als Keramikstahl bezeichnet. Hohe mechanische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit sind einige der Eigenschaften, die für Schmuck, Zahnmedizin und Wärmedämmschichten (TBC) wichtig sind.

Mullitkeramik Mullit ist eine weitere oxidbasierte Keramik. Sie zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination aus Festigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften machen sie ideal für Ofenauskleidungen. 

Siliziumkarbid Keramik Siliziumkarbidkeramik ist aufgrund ihrer ausgezeichneten Hitzebeständigkeit und überlegenen Härte weit verbreitet. Sie ist zudem chemisch stabil und korrosionsbeständig. Aus ihr werden hochwertige Automobilteile, Schmuck, feuerfeste Bauteile und Schneidwerkzeuge gefertigt. 

Steatit Keramik Steatit ist zwar weicher als Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid, aber dennoch ein bemerkenswertes dielektrisches Material. Es lässt sich bearbeiten und zur elektrischen Isolierung einsetzen. Es besteht aus Magnesiumoxid (MgO) und Siliciumdioxid (SiO₂), daher auch der Name Magnesiumsilikat. 

Hochleistungs-/Technische Keramik

Zu den Hochleistungskeramiken gehören Aluminiumnitrid, Bornitrid, Glaskeramik, Macrol, Mycalex, Quarz und Titanatkeramik. 

Aluminiumnitrid Keramik Aluminium ist neben Bornitrid eines der beliebtesten Nitridkeramiken. Es zeichnet sich durch dielektrische Eigenschaften, Festigkeit, elektrische Isolation, Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus.  

Bornitrid Werk- und Hilfsstoffe Keramik Diese Keramik ist sowohl als Pulver als auch in fester Form erhältlich. Ihre Mikrostruktur begünstigt elektrische Isolation, Bearbeitbarkeit und Wärmeleitfähigkeit. 

Teile aus Bornitrid-Keramik

Glaskeramik Es handelt sich um einen Verbundwerkstoff mit kristallisiertem Glas. Die keramische Variante eignet sich ideal für Hochtemperaturanwendungen, typischerweise in Küchen. Sie wird insbesondere für Kochutensilien und -bleche verwendet. 

Macor Keramik Bei Macor handelt es sich um eine äußerst vielseitige und gut bearbeitbare Glaskeramik. Ihre Bearbeitbarkeit kann mit der mancher Metalle mithalten. Daher können viele Branchen die Vorteile der Keramik und die Komplexität von Metallteilen nutzen. 

Macor-Keramik

Mycalex® Keramik – Mycalex® besteht aus Glas und Glimmer. Es wird häufig als Alternative zu Hochleistungskunststoffen eingesetzt. 

Quarzkeramik Das Rohmaterial für diese Keramikart ist Quarzglas. Es wird geschliffen, geformt und gesintert. Quarzkeramik-Bearbeitungsteile sind langlebig, korrosionsbeständig und temperaturschockbeständig. Sie weisen zudem gute Isolationseigenschaften auf. 

Titanat-Keramik – Eine weitere hochentwickelte Art von CNC-bearbeiteter Keramik ist Titanat. Es ist bekannt für seine hervorragenden elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. 

Wichtigste Eigenschaften von Keramik und ihre Auswirkungen auf die CNC-Bearbeitung

Die wichtigsten Eigenschaften von Keramik im Hinblick auf die maschinelle Bearbeitung sind mechanische Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Sprödigkeit und Härte. Eine bemerkenswerte thermische Eigenschaft des Materials ist seine Hitzebeständigkeit. Hinzu kommen elektrochemische Eigenschaften wie Inertheit und Isolationsfähigkeit.

Schauen wir uns diese Eigenschaften im Folgenden genauer an. 

Mechanische Eigenschaften von Keramik

Härte

Keramik besitzt eine hohe Härte – eine Mohshärte von 8–9. Nur Diamanten sind härter. Diese Eigenschaft macht Keramik geeignet für verschleißfeste Bauteile. 

Sprödigkeit

Gerissener Keramikbremsbelag

Keramik ist spröde, das heißt, sie bricht tendenziell ohne große plastische Verformung. Es gibt jedoch einige Hochleistungskeramiken, die für eine höhere Zähigkeit entwickelt wurden. Sie können bei einem Aufprall intakt bleiben. 

Bruchzähigkeit

Wie bereits erwähnt, weisen einige moderne Keramiken eine erhöhte Bruchzähigkeit auf. Die Verarbeitungsmethoden und Zusammensetzungen der Materialien sind auf diese Eigenschaft ausgelegt. Beispiele hierfür sind Siliziumnitrid und Zirkonoxid (ZrO₂). 

Thermische Eigenschaften

Hitzebeständigkeit

Die Hitzebeständigkeit von Keramik kann 1000 °C und mehr erreichen. Diese hohe Temperaturbeständigkeit ist bei CNC-Bearbeitungsprojekten von Vorteil, da die Teile sehr hohen Temperaturen standhalten können. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich Keramik gut für reibungsbelastende Bauteile, beispielsweise Lager. 

Wärmeleitfähigkeit

Keramische Werkstoffe weisen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Daher erzeugt die CNC-Bearbeitung dieser Werkstoffe Wärme, die zu Sprödbrüchen führen kann. Eine Zwangskühlung mit geeigneten Kühlmitteln ist erforderlich. Flüssiger Stickstoff ist beispielsweise ein wirksames Kühlmittel für Keramikmaterialien wie Siliziumnitrid. 

Flüssigstickstoffkühlung bei der CNC-Bearbeitung

Elektrische und chemische Eigenschaften

Elektrische Isolierung

Keramik ist ein hervorragender elektrischer Isolator. Ihre bearbeiteten Teile werden häufig zur Isolierung von elektrischen Bauteilen und Leitungen verwendet. 

Chemische Inertheit

Die herausragende chemische Beständigkeit von Keramik ist in der CNC-Bearbeitung von entscheidender Bedeutung. Das Material ist beständig gegen Sterilisationsprozesse und andere chemische Einflüsse. 

 

Keramik-CNC-Bearbeitungsprozesse

Es gibt drei verschiedene Zustände der CNC-Bearbeitung von Keramik: Rohkeramik, Grünkeramik und vollständig gesinterte Keramik. Der Zerspanungsmechaniker und der Kunde besprechen und wählen die geeignete Option anhand der Maßstabilität, der Bearbeitbarkeit und der geforderten Eigenschaften des bearbeiteten Teils. 

Grüne Bearbeitung

Grüne Bearbeitung bezeichnet die Bearbeitung von Keramikmaterial, das gerade erst geformt wurde, sich aber noch im ungesinterten Zustand befindet. 

Umweltfreundliche Bearbeitung

White State Machining

Der weiße, oder teilgesinterte Zustand, zeichnet sich durch ein dichteres und festeres Material aus. Aufgrund seiner höheren Dimensionsstabilität kann der Maschinenbediener an diesem Material präzisere Schnitte durchführen. 

Vollständig gesinterte Keramikbearbeitung

In diesem Zustand ist die Keramik bereits vollständig ausgehärtet. Das hochgradig spröde und harte Material erfordert spezielle CNC-Bearbeitungswerkzeuge und -verfahren. Diamantbeschichtete Werkzeuge haben sich als sehr zuverlässig erwiesen. 

 

Schritte bei der CNC-Bearbeitung von Keramik

Eine effektive CNC-Bearbeitung von Keramik umfasst die Auswahl der richtigen Keramiksorte, die Programmierung der CNC-Maschine, die Durchführung der Schruppbearbeitung und die Schlichtbearbeitung. Alle diese Arbeitsschritte werden mit höchster Fachkenntnis und Sorgfalt ausgeführt, wobei die Einzigartigkeit dieses Materials berücksichtigt wird. 

Schritt 1: Materialauswahl

Im ersten Schritt muss zwischen den drei Zuständen der Keramik gewählt werden: Grünzustand, Weißzustand und vollständig gesintert. Dies ist entscheidend, da der Zustand den Bearbeitungsprozess und die Gesamtkosten beeinflusst. 

Schritt 2: CAD/CAM-Programmierung

In der Programmierphase legt der Konstrukteur die Spindeldrehzahl, den Vorschub und den Werkzeugweg fest. CAD/CAM-Programme sind hierfür sehr hilfreich. 

Schritt 3: Schruppbearbeitung

Beim Schruppen werden 60–70 % des Keramikmaterials abgetragen. Der Maschinenbediener arbeitet mit geeigneten Werkzeugen, beispielsweise diamantbeschichteten, bis zu einer Tiefe von ca. <0.3 mm. 

Schritt 4: Endbearbeitung und Endbearbeitung

Der nächste Schritt bei der Bearbeitung von Aluminiumoxidkeramik besteht darin, das restliche Material abzutragen und die endgültige Oberflächengüte und Abmessungen zu erzielen. Dies wird typischerweise bei dünnen Wänden und inneren Hohlräumen durchgeführt. Die Endbearbeitung kann Feinstschleifen und Planschleifen umfassen. Sie ermöglicht eine Oberflächengüte von bis zu ±0.005 mm.

Sind Keramiken schwer zu bearbeiten?

Ja, Keramik zählt aufgrund ihrer außergewöhnlichen Härte zu den am schwierigsten zu bearbeitenden Werkstoffen. Diese Werkstoffe brechen zudem katastrophal und weisen eine extrem geringe Duktilität auf. Glücklicherweise gibt es moderne CNC-Technologie, wie zum Beispiel Mikro-CNC-Bearbeitung und es sind hochentwickelte Keramikwerkzeuge erhältlich. Viele Branchen können heute Keramikteile für verschiedene Anwendungen einsetzen. 

Warum Keramik eine Herausforderung darstellt

Wie bereits erwähnt, sind Sprödigkeit und Härte die Hauptgründe, warum Keramik schwer zu bearbeiten ist. Zusammenfassend lassen sich die spezifischen Herausforderungen dieses Materials wie folgt darstellen:

• Schleifeigenschaften – Schneller Werkzeugverschleiß
• Außergewöhnliche Sprödigkeit – Absplitterungen und Risse bei mangelhafter Bearbeitung
• Extreme Härte – Hartmetall- oder diamantbeschichtete Werkzeuge erforderlich 
• Geringe Wärmeleitfähigkeit – Verursacht Mikrostrukturen

Wie die CNC-Bearbeitung diese Herausforderungen bewältigt

Wir haben bereits eine der wichtigsten Maßnahmen erwähnt, nämlich den Einsatz spezieller Keramikwerkzeuge. Weitere Maßnahmen sind die Kontrolle des Materialzustands und die Anwendung bestimmter Bearbeitungsstrategien. Hinsichtlich des Materialzustands gilt es, zwischen Grün-, Weiß- und Vollsinterzustand zu wählen, um ein optimales Verhältnis zwischen Bauteilfunktionalität und Bearbeitbarkeit zu erzielen. Die Bearbeitungstechniken werden im nächsten Abschnitt behandelt. 

 

Wichtige Bearbeitungstechniken in der Keramik

Die erfolgreiche CNC-Bearbeitung von Keramikwerkstoffen basiert auf speziellem CNC-Fräsen, Flächenschleifen, Laserschneiden und Kernschleifen. Weitere Bearbeitungstechniken sind Innenschneiden, Diamantschleifen, Wasserstrahlschneiden, Heißpressen und isostatisches Pressen. 

CNC FräsenMehrachsige Werkzeugwege tragen Material ab, um komplexe Keramikteile herzustellen. Absplitterungen und Risse lassen sich durch Schwingungsdämpfung und niedrige Vorschubgeschwindigkeiten vermeiden. 

CNC-Fräsen von Keramik

FlachschleifenDurch das Oberflächenschleifen erhalten Keramikteile glatte und ebene Oberflächen. Das Geheimnis liegt in der präzisen Steuerung von Diamantschleifscheiben. 

LaserschneidenEs handelt sich um ein berührungsloses, hochpräzises Schneidverfahren. Durch eine geeignete Temperaturregelung werden Risse und Werkzeugverschleiß minimiert. 

KernbohrungenDiamantbeschichtete Bohrer erzeugen Löcher in Keramikmaterial. Kantenausbrüche sind ein Risiko, das jedoch durch langsames Bearbeiten und Kühlmittelzufuhr minimiert wird. 

ID-SlicingDas Schneiden des Innendurchmessers ist eine Technik zur Herstellung dünner Scheiben aus Keramikblöcken. Dabei wird eine harte, kreisförmige Klinge mit Diamantschneide verwendet. 

DiamantschleifenDies ist eine Bearbeitungstechnik zur Herstellung präziser Oberflächen. Auch hier wird Diamant verwendet, um die extreme Härte der Keramik zu bewältigen. 

WaferwürfelnDies beinhaltet den Einsatz dünner Diamanttrennscheiben zur Herstellung mikrometergroßer Teile aus keramischen Substraten. 

Wafer-Dicing

HeißpressenDieses Verfahren kombiniert einachsigen Druck und Hitze. Es erzeugt starke und dichte Keramikbauteile. 

Isostatisches PressenBei dieser Methode besteht die primäre Strategie darin, von allen Seiten gleichmäßigen Druck auszuüben. 

 

Welche Toleranzen sind bei der CNC-Bearbeitung von Keramik möglich?

Durch spezialisierte CNC-Bearbeitung von Keramik können zwar höhere Spezifikationen erreicht werden, die üblicherweise erreichbaren Toleranzen für das Material liegen jedoch zwischen ±0.001″ und ±0.0005″ (±0.025 mm und ±0.013 mm). Die genauen Toleranzen hängen von der thermischen Stabilität, dem Bearbeitungszustand, der Bauteilkomplexität und der Keramikqualität ab. 

Faktoren, die die Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussen

Hier sind die wichtigsten Faktoren, die die Maßgenauigkeit von keramischen Bearbeitungsteilen beeinflussen;

• Porosität 
• Körnung
• Mikrostruktur
• Thermische Effekte
• Vibrationskontrolle
• Qualität der Keramikwerkzeuge 
• Maschinenqualität/Steifigkeit 

 

Wichtige Überlegungen für hochwertige CNC-gefräste Keramikteile

Zu den Faktoren, die die Qualität der CNC-Bearbeitung von Keramik bestimmen, gehören die Schnittparameter, die Qualität der Vorrichtung und die Technologie der Keramikwerkzeuge.  Durch die gekonnte Kombination der besten dieser Faktoren werden minimale Vibrationen und insgesamt erstklassige Keramikteile erzielt. 

Teileanforderungen

Geometrische Abmessungen und Toleranzen sind bei verschiedenen Keramikarten von entscheidender Bedeutung. Da diese Werkstoffe nicht plastisch verformbar sind, ist die Berücksichtigung von Rechtwinkligkeit und Ebenheit unerlässlich. 

Die Rechtwinkligkeit sollte im Bereich von 0.01 bis 0.05 mm liegen, während für die Ebenheit ein Wert von 0.005 bis 0.02 mm empfohlen wird. Es ist außerdem wichtig, die folgenden bewährten Vorgehensweisen zu beachten:

• Wandstärke
• Eckdesign
• Merkmalsgröße
• Grenzen für Bohrungen/Schlitze/Gewinde
• Bearbeitungseinstellungen 

Werkzeugauswahl

Bei Keramiken mit Härtegraden bis zu HV 2500 ist die Werkzeugauswahl für deren Bearbeitung von größter Bedeutung. Für eine präzise und qualitativ hochwertige Bearbeitung werden PKD- (polykristalliner Diamant), CBN- und Diamantwerkzeuge eingesetzt. 

PCD-CNC-Schneidwerkzeuge

PKD-Werkzeuge eignen sich ideal für die Bearbeitung großer Stückzahlen, Diamantwerkzeuge für die Bearbeitung von Zirkonoxidkeramik und Aluminiumoxidkeramik und CBN für höhere Temperaturen. 

Schnittparameter

Aufgrund der Bruchanfälligkeit von Keramik wird ein schonendes Schneiden empfohlen. Die idealen Schnittparameter liegen in den folgenden Bereichen. 

Schnittparameter	Abdeckung
Schnittgeschwindigkeit	300–800 m/Min
Schnitttiefe	0.05 – 0.3 mm
Vorschubgeschwindigkeit	0.01–0.05 mm/Zahn
Positioniergenauigkeit	±2–3 μm
Spindeldrehzahl für hohe Präzision	12,000–24,000 U / min

Vorrichtungs- und Vibrationskontrolle

Die Bearbeitung von Keramik kann aufgrund der extremen Härte und Sprödigkeit des Materials erheblich durch Vibrationen beeinträchtigt werden. Die Spanntechnik muss daher sehr effektiv sein, um Spannungsspitzen zu vermeiden. 

Einige damit zusammenhängende Strategien sind:

• Verwendung weicher Polster
• Vermeidung von Kragarmkonstruktionen
• Verwendung von Vakuumvorrichtungen

Vakuumvorrichtung

 

Vorteile und Grenzen der CNC-Bearbeitung von Keramik

Die Verarbeitung keramischer Werkstoffe birgt folgende Vorteile und Einschränkungen. 

Vorteile

• Chemische Stabilität
• Extreme Härte
• Unübertroffene Temperaturbeständigkeit

Einschränkungen

• Längere Zykluszeiten
• Hohe Werkzeugkosten

Anwendungen von keramischen CNC-gefrästen Teilen

CNC-gefräste Keramikteile finden in wichtigen Branchen Anwendung, darunter Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Medizin, Elektronik und Halbleiter, Automobilindustrie und Industriekomponenten.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Keramische CNC-gefräste Teile eignen sich für die anspruchsvollen Bedingungen der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie. Sie sind temperaturbeständig bis über 2,000 °C, korrosionsbeständig, leicht und robust. Zu ihren strukturellen und thermischen Anwendungen gehören Brennkammern, Turbinen und Düsen. 

Keramikteile für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung

Medizin und Zahnmedizin

In der Medizin und Zahnmedizin werden CNC-gefräste Keramikteile in großem Umfang eingesetzt. Diese Teile sind inert, robust, individuell anpassbar sowie beständig gegen Chemikalien und Verschleiß. 

Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten gehören:

• Wurzelimplantate 
• Hüftersatz 
• Verstrebungen 
• Gelenke 
• Zubehör 

Elektronik

Elektronikhersteller benötigen Materialien mit Korrosionsbeständigkeit, thermischer Stabilität und elektrischer Isolation. Aus keramischen Werkstoffen fertigen sie kritische Bauteile wie Widerstände, Thermistoren, Kondensatoren, Halbleiter und Sensoren. 

Automobilindustrie 

Automobilingenieure verwenden Keramikbauteile in großem Umfang, um Leistung, Sicherheit und Effizienz zu verbessern. Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten der Keramikbearbeitung in der Automobilindustrie gehören:

• Pumpenlager
• Motorlager
• Kupplungen
• Heizsysteme für Elektrofahrzeuge
• Bremsbeläge

Bremsbeläge aus Keramik

Industrielle Komponenten

Dennoch sind keramische Werkstoffe aufgrund ihrer thermischen Stabilität, Härte, chemischen Beständigkeit und Verschleißfestigkeit in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden unter anderem zur Herstellung von Hochleistungsscheiben, Lagern, Rohren, Ventilen und Dichtungen verwendet. 

Keramikventilteile

Fazit

Keramische Werkstoffe spielen eine wichtige Rolle bei modernen CNC-gefertigten Teilen. Härte, Inertheit, geringe elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind einige der Gründe, warum diese Teile in vielen Branchen eingesetzt werden. Die geringfügigen Nachteile der Verarbeitung keramischer Werkstoffe, wie z. B. Absplitterungen und plötzliches Brechen, sollten Anwender nicht abschrecken. Die Vorteile können diese Probleme überwiegen. 

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