CNC-bewerking van keramiek: processen, materialen en toepassingen

Keramische CNC-bewerking

Keramisch CNC-bewerkingsdiensten Keramiek is populair in onder andere de lucht- en ruimtevaart, de medische sector, de elektronica en de industrie. Keramiek heeft een ongeëvenaarde hardheid, temperatuurbestendigheid, lage elektrische geleidbaarheid en corrosiebestendigheid. Bij de verwerking van keramiek moet men kiezen uit structurele en geavanceerde varianten en vervolgens de juiste productiestrategieën toepassen. De bewerking kan plaatsvinden door middel van groene bewerking, biscuitbewerking of volledig gesinterde keramiekbewerking. 

Daarnaast houdt de machinist ook rekening met elementen zoals het type gereedschap, snijparameters, opspanning en de complexiteit van het werkstuk. Het algemene CNC-bewerkingsproces blijft echter eenvoudig, van materiaalselectie tot kwaliteitscontrole. 

Dit artikel behandelt al deze aspecten van de keramische bewerking.

 

Wat is keramische CNC-bewerking?

CNC-bewerking van keramiek is het gebruik van computergestuurde snijmachines en gereedschappen om precisieonderdelen te produceren uit verschillende soorten keramiek. 

Keramische CNC-gefreesde onderdelen

Keramiek verschilt van metalen en andere materialen doordat het zeer bros en hard is. Daarom moeten de gereedschappen en machines voor keramische bewerkingen gespecialiseerd zijn. Als ervaren CNC-bewerkingsbedrijven kunnen wij bevestigen dat de bewerking van keramische materialen een unieke discipline is. Het combineert de mogelijkheden van precisietechniek met geavanceerde materiaalkunde. 

 

Veelvoorkomende soorten keramiek die worden gebruikt bij CNC-bewerking

De meest voorkomende bewerkte keramische materialen kunnen in twee categorieën worden ingedeeld: structurele keramiek en geavanceerde keramiek. De eerste categorie is voornamelijk gericht op sterkte. Geavanceerde keramiek is ontworpen voor specifieke eigenschappen, zoals chemische bestendigheid of elektrische geleidbaarheid. 

Structurele Keramiek

Veelgebruikte structurele keramische materialen zijn aluminiumoxidekeramiek, cordierietkeramiek, zirkoniumoxidekeramiek, mullietkeramiek, siliciumcarbidekeramiek en steatietkeramiek. 

Alumina keramiek – Door het bewerken van aluminiumoxidekeramiek worden harde, slijtvaste en corrosiebestendige oxidekeramische onderdelen verkregen. De formule van het materiaal is Al₂O₃. 

Industriële aluminiumoxidekeramiek

Cordieriet keramiek Dit type keramiek biedt een goede thermische schokbestendigheid en een lage thermische uitzetting. Het wordt gebruikt in ovens en katalysatoren. 

Zirconia Ceramic – De formule voor dit structurele keramiek is ZrO₂. Het keramiek wordt ook wel zirkoniumdioxide genoemd. Het witte kristallijne materiaal wordt ook wel keramisch staal genoemd. Hoge mechanische weerstand, temperatuurbestendigheid en chemische bestendigheid zijn eigenschappen die van belang zijn voor sieraden, tandheelkunde en thermische barrièrecoatings (TBC).

Mulliet keramiek Mulliet is een ander oxidehoudend keramisch materiaal. Het heeft een unieke combinatie van sterkte, thermische schokbestendigheid en temperatuurbestendigheid. Deze eigenschappen maken het ideaal voor ovenbekledingen. 

Silicium carbide Keramisch Siliciumcarbidekeramiek wordt veel gebruikt vanwege de uitstekende hittebestendigheid en superieure hardheid. Het is bovendien chemisch stabiel en corrosiebestendig. De bewerkte onderdelen ervan worden gebruikt voor hoogwaardige auto-onderdelen, sieraden, vuurvaste materialen en snijgereedschappen. 

Speksteen Keramisch Hoewel steatiet zachter is dan aluminiumoxide en zirkoniumoxide, is het een opmerkelijk diëlektrisch materiaal. Het kan bewerkt worden en gebruikt worden voor elektrische isolatie. Het bestaat uit magnesiumoxide (MgO) en siliciumdioxide (SiO2), vandaar de andere naam: magnesiumsilicaat. 

Geavanceerde / Technische Keramiek

Geavanceerde keramische materialen omvatten aluminiumnitride, boornitride, glaskeramiek, Macor, Mycalex, kwarts en titanaatkeramiek. 

Aluminiumnitride Keramisch Aluminiumnitride is, samen met boornitride, een van de populairste keramische nitriden. Het onderscheidt zich door zijn diëlektrische eigenschappen, sterkte, elektrische isolatie, slijtvastheid en thermische geleidbaarheid.  

Boornitride Keramisch – Dit keramische materiaal is verkrijgbaar in zowel poeder- als vaste vorm. Het heeft een microstructuur die elektrische isolatie, bewerkbaarheid en thermische geleidbaarheid bevordert. 

Boriumnitride keramische onderdelen

Glas Keramiek – Dit is een composietmateriaal dat gekristalliseerd glas bevat. De keramische variant is ideaal voor toepassingen bij hoge temperaturen, met name in keukens. Het wordt specifiek gebruikt voor kookgerei en bakplaten. 

Macor Keramisch Macor is een zeer veelzijdig en goed bewerkbaar type glaskeramiek. De bewerkbaarheid ervan kan die van sommige metalen evenaren. Daarom kunnen veel industrieën de voordelen van keramiek combineren met de complexiteit van metalen onderdelen. 

Macor keramiek

Mycalex® Keramisch – Mycalex® bestaat uit glas en mica. Het wordt vaak gebruikt als alternatief voor hoogwaardige kunststoffen. 

Kwartskeramiek – De grondstof voor dit type keramiek is kwartsglas. Het wordt gemalen, gevormd en gesinterd. Bewerkte kwartskeramische onderdelen zijn duurzaam, corrosiebestendig en bestand tegen thermische schokken. Ze hebben bovendien goede isolerende eigenschappen. 

Titanaat Keramiek Een ander geavanceerd type keramiek voor CNC-bewerking is titanaat. Dit materiaal staat bekend om zijn uitstekende elektrische, mechanische en thermische eigenschappen. 

Belangrijkste eigenschappen van keramiek en hun invloed op CNC-bewerking

De belangrijkste eigenschappen van keramiek met betrekking tot bewerking zijn mechanische eigenschappen zoals breuktaaiheid, brosheid en hardheid. Hittebestendigheid is een opmerkelijke thermische eigenschap van het materiaal. Daarnaast zijn er ook elektrochemische eigenschappen zoals inertheid en isolatie.

Laten we deze eigenschappen hieronder eens nader bekijken. 

Mechanische eigenschappen van keramiek

Hardheid

Keramiek heeft een hoge hardheid – een Mohs-hardheid van 8-9. Alleen diamanten zijn harder. Deze eigenschap maakt keramiek geschikt voor slijtvaste onderdelen. 

Broosheid

Gebarsten keramische remblokken

Keramiek is bros, wat betekent dat het de neiging heeft te breken zonder veel plastische vervorming. Sommige geavanceerde keramische materialen zijn echter ontworpen voor een hogere taaiheid. Ze kunnen een impact intact laten. 

Breuk Taaiheid

Zoals gezegd hebben sommige moderne keramische materialen een verbeterde breuktaaiheid. De verwerkingsmethoden en samenstellingen van het materiaal zijn hierop afgestemd. Voorbeelden hiervan zijn siliciumnitride en zirkonia (ZrO2). 

Thermische eigenschappen

Hittebestendigheid

Keramiek is hittebestendig tot wel 1000 °C en hoger. Deze hoge temperatuurbestendigheid is een voordeel bij CNC-bewerkingsprojecten, omdat de onderdelen zeer hoge temperaturen kunnen weerstaan. Dankzij deze eigenschap is keramiek uitermate geschikt voor wrijvingslagers, zoals bijvoorbeeld lagers. 

Warmtegeleiding

Keramische materialen hebben een lage warmtegeleidingscoëfficiënt. Daarom genereert CNC-bewerking van deze materialen warmte, wat brosheid en beschadiging kan veroorzaken. Geforceerde koeling is noodzakelijk met behulp van de juiste koelvloeistoffen. Vloeibare stikstof is bijvoorbeeld een effectieve koelvloeistof voor keramische materialen zoals siliciumnitride. 

Koeling met vloeibare stikstof bij CNC-bewerking

Elektrische en chemische eigenschappen

Elektrische isolatie

Keramiek is een uitstekend elektrisch isolatiemateriaal. Bewerkte onderdelen ervan worden veelvuldig gebruikt voor het isoleren van elektrische componenten en draden. 

Chemische traagheid

De uitzonderlijke chemische inertheid of weerstand van keramiek is cruciaal in de CNC-bewerking. Het materiaal is bestand tegen sterilisatieprocessen en andere chemische invloeden. 

 

CNC-bewerkingsprocessen voor keramiek

Er zijn drie verschillende stadia van CNC-bewerking van keramiek: biscuit, groen en volledig gesinterd. De machinist en de klant bespreken de te volgen methode en kiezen de meest geschikte optie op basis van dimensionale stabiliteit, bewerkbaarheid en de gewenste eigenschappen van het te bewerken onderdeel. 

Groene bewerking

Groenbewerking verwijst naar de bewerking die wordt uitgevoerd op keramisch materiaal dat net in vorm is gebracht, maar zich nog in de ongesinterde toestand bevindt. 

Groen bewerken

White State Machining

De witte toestand, ofwel de gedeeltelijk gesinterde toestand, wordt gekenmerkt door een dichter en sterker materiaal. De machinist kan in dit materiaal nauwkeurigere sneden maken omdat het een hogere dimensionale stabiliteit heeft. 

Volledig gesinterde keramische bewerking

Deze keramische laag is al volledig uitgehard. Het zeer broze en harde materiaal vereist speciaal CNC-bewerkingsgereedschap en -methoden. Diamantgecoat gereedschap is daarbij zeer betrouwbaar gebleken. 

 

Stappen in de CNC-bewerking van keramiek

Effectief CNC-bewerken van keramiek vereist het selecteren van de juiste keramieksoort, het programmeren van de CNC-machine, het uitvoeren van voorbewerking en nabewerking. Al deze stappen worden met de grootste expertise en zorgvuldigheid uitgevoerd, rekening houdend met de unieke eigenschappen van dit materiaal. 

Stap 1: materiaalkeuze

De eerste stap is het kiezen uit de drie toestanden van keramiek: groene toestand, witte toestand en volledig gesinterd. Dit is cruciaal, omdat de toestand van invloed is op het bewerkingsproces en de totale kosten. 

Stap 2: CAD/CAM-programmering

Tijdens de programmeerfase definieert de ontwerper het toerental van de spindel, de voedingssnelheid en het gereedschapspad. CAD/CAM-programma's zijn hierbij erg handig. 

Stap 3: Ruwe bewerking

Voorbewerken is het verwijderen van 60-70% van het keramische materiaal. De machinist bewerkt tot een diepte van ongeveer <0.3 mm met behulp van geschikte gereedschappen, bijvoorbeeld diamantgereedschappen. 

Stap 4: Eindbewerking en afwerking

De volgende stap bij de bewerking van aluminiumoxidekeramiek is het verwijderen van het resterende materiaal en het bereiken van de uiteindelijke oppervlakteafwerking en afmetingen. Dit wordt doorgaans gedaan voor dunne wanden en interne holtes. De nabewerking kan bestaan ​​uit superfijn slijpen en vlakslijpen. Hiermee kan een afwerking met een tolerantie van ±0.005 mm worden bereikt.

Zijn keramische materialen moeilijk te bewerken?

Ja, keramiek behoort tot de moeilijkst te bewerken materialen vanwege de buitengewone hardheid. Deze materialen breken bovendien zeer snel en hebben een extreem lage ductiliteit. Gelukkig biedt moderne CNC-technologie, zoals micro-CNC-bewerking En geavanceerde keramische gereedschappen zijn beschikbaar. Veel industrieën kunnen nu keramische onderdelen gebruiken voor diverse toepassingen. 

Waarom keramiek een uitdaging vormt

Zoals gezegd zijn brosheid en hardheid de belangrijkste redenen waarom keramiek moeilijk te bewerken is. Samenvattend zijn de specifieke uitdagingen van het materiaal:

• Schurende eigenschappen – Snelle gereedschapsslijtage
• Buitengewone broosheid – Afbrokkeling en scheurvorming bij slechte bewerking
• Extreme hardheid – Gereedschap met hardmetalen of diamantcoating vereist 
• Lage thermische geleidbaarheid – Veroorzaakt microstructuren

Hoe CNC-bewerking deze uitdagingen overwint

We hebben al een van de belangrijkste ingrepen genoemd, namelijk het gebruik van speciale keramische gereedschappen. De andere ingrepen zijn materiaalbeheersing en het toepassen van bepaalde bewerkingsstrategieën. Wat de materiaaleigenschappen betreft, kan er gekozen worden uit groen, wit en volledig gesinterd materiaal, om een ​​balans te vinden tussen de effectiviteit van het onderdeel en de bewerkbaarheid. Bewerkingstechnieken worden in het volgende hoofdstuk besproken. 

 

Belangrijke bewerkingstechnieken in keramiek

Succesvolle CNC-bewerking van keramische materialen is gebaseerd op speciale CNC-freestechnieken, oppervlakteslijpen, lasersnijden en kernslijpen. Andere bewerkingstechnieken zijn onder andere binnendiametersnijden, diamantslijpen, watersnijden, warmpersen en isostatisch persen. 

CNC frezenMeerassige gereedschapspaden verwijderen materiaal om complexe keramische onderdelen te vervaardigen. Afbrokkeling en scheuren kunnen worden voorkomen door trillingsbeheersing en lage aanvoersnelheden. 

CNC-frezen van keramiek

OppervlakteslijpenOppervlakteslijpen geeft keramische onderdelen een gladde en vlakke afwerking. Deskundig gecontroleerde diamantslijpschijven zijn hiervoor het geheim. 

LasersnijdenDit is een contactloze, uiterst nauwkeurige snijtechniek. Met de juiste thermische regeling worden scheuren en gereedschapslijtage tot een minimum beperkt. 

KernborenDiamantgecoate boren maken gaten in keramisch materiaal. Afbrokkeling van de snijkant is een risico, maar langzaam frezen en het gebruik van koelvloeistof voorkomen dit. 

ID-snijdingBinnendiametersnijden is een techniek voor het produceren van dunne wafers uit keramische blokken. Hierbij wordt een hard, cirkelvormig mes met een diamantrand gebruikt. 

Diamant slijpenDit is een afwerkingstechniek voor het produceren van nauwkeurige oppervlakken. Ook hier wordt diamant gebruikt om de extreme hardheid van keramiek te beheersen. 

Wafeltjes snijdenDit houdt in dat dunne diamantbladen worden gebruikt om micro-onderdelen te produceren uit keramische substraten. 

Wafels in blokjes snijden

Heet persenDeze techniek combineert eenaxiale druk met warmte. Hierdoor ontstaan ​​sterke en dichte keramische componenten. 

Isostatisch persenBij deze methode is de voornaamste strategie het uitoefenen van gelijke druk vanuit alle kanten. 

 

Welke toleranties kan CNC-bewerking van keramiek bereiken?

Hoewel gespecialiseerde CNC-bewerking van keramiek hogere specificaties kan bereiken, liggen de reguliere haalbare toleranties voor het materiaal tussen ±0.001″ en ±0.0005″ (±0.025 mm en ±0.013 mm). De exacte toleranties zijn afhankelijk van de thermische stabiliteit, de bewerkingsstatus, de complexiteit van het onderdeel en de keramische kwaliteit. 

Factoren die de nauwkeurigheid van de bewerking beïnvloeden

Hieronder volgen de belangrijkste factoren die de maatnauwkeurigheid van machinaal bewerkte keramische onderdelen beïnvloeden:

• poreusheid 
• Korrelgrootte
• microstructuur
• Thermische effecten
• Vibratiecontrole
• Kwaliteit van keramische gereedschappen 
• Machinekwaliteit/stijfheid 

 

Belangrijke aandachtspunten voor hoogwaardige CNC-gefreesde keramische onderdelen

De factoren die de kwaliteit van CNC-bewerking van keramiek bepalen, zijn onder andere de snijparameters, de kwaliteit van de opspaninrichting en de technologie van het keramische gereedschap.  Een deskundige combinatie van de beste elementen uit deze factoren resulteert in minimale trillingen en, over het geheel genomen, keramische onderdelen van topkwaliteit. 

Onderdeelvereisten

Geometrische afmetingen en toleranties zijn cruciaal voor verschillende soorten keramiek. Omdat deze materialen niet plastisch vervormen, is het essentieel om bij het ontwerpen rekening te houden met loodrechtheid en vlakheid. 

De loodrechtheid moet tussen 0.01 en 0.05 mm liggen, terwijl de vlakheid bij voorkeur tussen 0.005 en 0.02 mm moet liggen. Het is ook belangrijk om de beste werkwijzen voor het volgende te volgen;

• wanddikte
• Hoek ontwerp
• Functiegrootte
• Gat-/sleuf-/schroefdraadlimieten
• Bewerkingsaanpassingen 

Gereedschapsselectie

Bij keramische materialen met een hardheid tot HV 2500 is de gereedschapskeuze van het grootste belang bij de bewerking ervan. Voor nauwkeurige en kwalitatief hoogwaardige bewerkingen worden PCD (polykristallijn diamant), CBN en diamantgereedschap gebruikt. 

PCD CNC-snijgereedschap

PCD-gereedschap is ideaal voor bewerkingen met een hoog volume, diamantgereedschap voor de bewerking van zirkoniumoxidekeramiek en aluminiumoxidekeramiek, en CBN voor hogere temperaturen. 

Snijparameters:

Gezien de breukgevoeligheid van keramiek wordt licht snijden aanbevolen. De ideale snijparameters liggen binnen de volgende bereiken. 

Snijparameter	Verkrijgbaarheid:
snijsnelheid	300–800 m/min
Diepte van de snede	0.05 – 0.3 mm
Voedingssnelheid	0.01–0.05 mm/tand
Positie nauwkeurigheid	±2–3 μm
Spindelsnelheid voor hoge precisie	12,000-24,000 tpm

Bevestiging en trillingscontrole

De bewerking van keramiek kan aanzienlijk worden beïnvloed door trillingen vanwege de extreme hardheid en brosheid van het materiaal. De opspanmethode moet zeer effectief zijn om spanningsconcentraties te voorkomen. 

Enkele verwante strategieën zijn:

• Gebruik zachte pads
• Vermijd uitstekende elementen
• Het gebruik van vacuümarmaturen

Vacuüm armatuur

 

Voordelen en beperkingen van CNC-bewerking van keramiek

De verwerking van keramische materialen kent de volgende voordelen en beperkingen. 

Voordelen

• Chemische stabiliteit
• Extreme hardheid
• Ongeëvenaarde temperatuurbestendigheid

Beperkingen

• Langere cyclustijden
• Hoge gereedschapskosten

Toepassingen van keramische CNC-gefreesde onderdelen

CNC-gefreesde keramische onderdelen zijn relevant in belangrijke sectoren, waaronder de lucht- en ruimtevaart, defensie, medische sector, elektronica en halfgeleiders, automobielindustrie en industriële componenten.

Ruimtevaart en Defensie

Keramische CNC-gefreesde onderdelen zijn nuttig in de zware omstandigheden van de lucht- en ruimtevaart- en defensie-industrie. Ze kunnen temperaturen van meer dan 2,000 °C weerstaan, zijn corrosiebestendig, licht van gewicht en zeer sterk. Hun structurele en thermische toepassingen omvatten verbrandingskamers, turbines en sproeiers. 

Keramische onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en defensie.

Medisch en tandheelkundig

De medische en tandheelkundige sector zijn sterk afhankelijk van CNC-gefreesde keramische onderdelen. Deze onderdelen zijn inert, sterk, aanpasbaar en bestand tegen chemicaliën en slijtage. 

De belangrijkste toepassingsgebieden zijn onder meer:

• Wortelimplantaten 
• Heupvervangingen 
• Een beugel 
• Gewrichten 
• Tools 

Elektronica

Fabrikanten van elektronica hebben materialen nodig die corrosiebestendig, thermisch stabiel en elektrisch isolerend zijn. Met keramische materialen produceren ze cruciale componenten zoals weerstanden, thermistors, condensatoren, halfgeleiders en sensoren. 

Automobielsector 

Autotechnici gebruiken keramische componenten veelvuldig om de prestaties, veiligheid en efficiëntie te verbeteren. Enkele van de meest opvallende toepassingen van keramische bewerking in de automobielindustrie zijn:

• Pomplagers
• Motorlagers
• Clutches
• Verwarmingssystemen voor elektrische voertuigen
• Remblokken

Keramische remblokken

Industriële componenten

Desondanks worden keramische materialen, vanwege hun thermische stabiliteit, hardheid, chemische bestendigheid en slijtvastheid, veelvuldig gebruikt in industriële toepassingen. Ze worden onder andere gebruikt voor hoogwaardige ringen, lagers, buizen, kleppen en afdichtingen. 

Keramische ventielonderdelen

In Conclusie

Keramische materialen spelen een belangrijke rol in moderne CNC-gefreesde onderdelen. Hardheid, inertheid, lage elektrische geleidbaarheid en corrosiebestendigheid zijn enkele redenen waarom veel industrieën deze onderdelen gebruiken. De kleine nadelen van de verwerking van keramische materialen, zoals spaandervorming en catastrofale breuken, hoeven gebruikers niet af te schrikken. De voordelen wegen vaak ruimschoots op tegen deze nadelen. 

Als u op zoek bent naar geavanceerde CNC-bewerkingsmogelijkheden voor zirkoniumoxidekeramiek, siliciumcarbidekeramiek, cordierietkeramiek en andere bewerkbare keramische materialen, neem dan contact op met ProleanTech. precisie CNC-bewerking: <p></p>