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Duktile 3D-Keramikarmierungen  

Verschleißschutzkonzepte für hochdynamisch belastete Bauteile können derzeit nur mit hohem Gewicht durch metallische Komponenten oder mit sehr eingeschränkter Formbarkeit durch keramische Elemente realisiert werden. Um die herausragenden Eigenschaften beider Werkstoffgruppen – wie maximale Festigkeit bei gleichzeitig guter Verformbarkeit – zu vereinen, hat das Fraunhofer IKTS, basierend auf dem Konzept des »topological interlocking« [*], neuartige duktile Keramikarmierungen entwickelt. In Kombination mit kosteneffizienten Löt- oder Klebverfahren können diese auf komplex geformte Stahloberflächen aufgebracht werden und anschließend für Schutzvorrichtungen für Zentrifugen, Rotoren, Recycling- und Aufbereitungsanlagen oder bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass sich die DuktAr-Bauteile aus hochfester Keramik durch die spezielle Geometrie wie Puzzleteilchen zu Flächen variabler Größe zusammensetzen lassen. Somit werden eine hohe gestalterische Freiheit erreicht und effektive dreidimensionale Verschleißschutzkonzepte möglich.

[*] Dyskin, A. V., Estrin, Y., Kanel-Belov, A. J. & Pasternak, E. Toughening by Fragmentation - How Topology Helps. Adv. Eng. Mater. 3, 885-888 (2001).

Für die effektive und kostengünstige Fertigung der DuktAr-Teile wurde am Fraunhofer IKTS ein neues Pressverfahren etabliert, bei dem sich die Keramikbauteile in einem Schritt ohne mechanische Nachbearbeitung fertigen lassen. Dafür wurde eine Pressform entwickelt, die zusätzlich zum klassischen vertikalen Pressstempel zwei um 180° versetzte, horizontale Querstempel enthält. Deren Oberfläche bildet die benötigte 3D- Kontur ab. Somit können im Automatikbetrieb ca. 5 bis 10 Teile pro Minute hergestellt und so die benötigten großen Stückzahlen erreicht werden. Mit diesem neuen Herstellverfahren wurden bisher Bauteilserien aus Siliciumcarbid und Aluminiumoxid gepresst, gesintert und über Weichlöten oder Kleben auf Stahlblechen fixiert. Für die Siliciumcarbid-Stahl-Verbindung liegen die Scherfestigkeitswerte der Lötverbindung bei 18 MPa, die der Klebverbindung sogar bei 40 MPa.