Wie verhindert man das Reißen oder Abplatzen von Keramik während der Bearbeitung?

Keramische Werkstoffe stellen aufgrund ihrer inhärenten Sprödigkeit, Härte und geringen Bruchzähigkeit ganz besondere Zerspanungsherausforderungen dar. Bei Neway haben wir umfassende Methoden entwickelt, um Rissbildung und Ausbrüche durch spezialisierte Werkzeuge, präzise Prozesskontrolle und auf das jeweilige Keramikmaterial abgestimmte Bearbeitungsstrategien wirksam zu vermeiden.

Spezialisierte Werkzeugauswahl und -verwaltung

Die Wahl der Schneidwerkzeuge ist die erste Verteidigungslinie gegen Schäden an Keramik während der Bearbeitung.

Einsatz von Diamantwerkzeugen

• PCD-Werkzeuge (polykristalliner Diamant): Wir setzen für die meisten Keramikbearbeitungsanwendungen ausschließlich PCD-bestückte Werkzeuge ein. Die extreme Härte von Diamant (8.000–10.000 HV) übertrifft selbst hochentwickelte Keramiken wie Zirkonia (ZrO₂) (1.200–1.400 HV) deutlich und sorgt dafür, dass das Werkzeug nur minimal verschleißt, während es das keramische Material sauber schert.

• Optimierung der Diamantkorngröße: Wir wählen die Diamantkörnung sorgfältig in Abhängigkeit vom jeweiligen Keramikmaterial:

  • Feinkörniger Diamant (5–15 μm) für Feinbearbeitung bei Materialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃)

  • Grobkörnige Diamanten (20–40 μm) für Schruppoperationen bei zäheren Keramiken wie Siliziumnitrid (Si₃N₄)

• Optimierte Werkzeuggeometrie: Spezielle Werkzeuggeometrien mit stark positivem Spanwinkel (15°–25°) und polierten Spannuten minimieren die Schnittkräfte, erleichtern eine effiziente Spanabfuhr und reduzieren das Risiko der Rissinitiierung.

Überwachung des Werkzeugzustands

• Regelmäßige Werkzeuginspektion: Wir setzen strenge Prüfintervalle für Werkzeuge um und tauschen diese bereits bei ersten Anzeichen von Mikroscharten oder Verschleiß aus, um Werkstückschäden zu verhindern.

• Kraftüberwachungssysteme: Fortschrittliche Sensoren überwachen die Schnittkräfte in Echtzeit und passen Parameter automatisch an oder stoppen den Prozess, wenn ungewöhnliche Kräfte auf potenzielle Rissbildung hindeuten.

Optimierte Bearbeitungsparameter und -techniken

Die präzise Kontrolle der Bearbeitungsparameter ist entscheidend, um die strukturelle Integrität keramischer Komponenten zu erhalten.

Strategien zur kontrollierten Materialabnahme

• Reduzierte Schnitttiefe: Wir arbeiten mit geringen Schnitttiefen (typischerweise 0,01–0,05 mm bei der Feinbearbeitung und 0,1–0,3 mm beim Schruppen), um das pro Eingriff abgetragene Materialvolumen zu begrenzen und damit Spannungsspitzen zu minimieren.

• Hochgeschwindigkeitsbearbeitung: Der Einsatz hoher Spindeldrehzahlen (15.000–30.000 U/min, abhängig vom Werkzeugdurchmesser) fördert, wo möglich, eine „duktil-regime“ Bearbeitung, bei der das Material geschert statt spröde gebrochen wird.

• Adaptive Vorschubregelung: Unser Präzisionsbearbeitungsservice nutzt variable Vorschubstrategien, die beim Eingriff in scharfe Kanten oder dünnwandige Bereiche verlangsamen und über robustere Geometrien beschleunigen.

Spannungsverteilungsmanagement

• Trochoidale Fräsbahnen: Bei Taschen- und Konturbearbeitungen setzen wir trochoidale Werkzeugwege ein, die konstante Eingriffswinkel sicherstellen und so lokale Spannungsspitzen vermeiden, die zu Rissbildung führen könnten.

• Gleichlauffräsen: Wir bevorzugen Gleichlauffräsen (Down-Milling), damit die Schnittkräfte das Werkstück in die Spannvorrichtung drücken statt es anzuheben. Dies erhöht die Stabilität und reduziert schwingungsbedingte Schäden.

Fortschrittliche Spann- und Aufspannlösungen

Eine geeignete Werkstückabstützung ist entscheidend, um ein Versagen keramischer Komponenten während der Bearbeitung zu verhindern.

Kundenspezifische Spannvorrichtungen

• Konforme Abstützsysteme: Wir konstruieren Vorrichtungen mit Auflageflächen, die der Werkstückgeometrie angepasst sind, um Spannkräfte möglichst gleichmäßig über die größtmögliche Fläche zu verteilen.

• Weiche Backen und Zwischenlagen: Speziell gefertigte weiche Spannbacken mit nachgiebigen Auflagewerkstoffen (Elastomere, Kupfer oder speziell formulierte Verbundstoffe) fixieren spröde Keramiken schonend und vermeiden Spannungskonzentrationen.

• Vakuumspannsysteme: Für dünnwandige oder flächige Komponenten verwenden wir Vakuumspannplatten, die gleichmäßigen Druck über die gesamte Rückseite ausüben und punktuelle Belastungen vermeiden, die Risse initiieren könnten.

Spannungsarme Einspanntechniken

• Niederdruckspannungen: Wir berechnen und kontrollieren Spannkräfte sorgfältig, um ausreichende Haltekraft zu gewährleisten, ohne die Druckfestigkeitsgrenzen der Keramik zu überschreiten.

• Strategische Abstützung: Spannvorrichtungen werden so gestaltet, dass die Komponente direkt unterhalb der Bearbeitungsbereiche unterstützt wird, wodurch Durchbiegung und Vibration minimiert werden.

Materialspezifische Bearbeitungsansätze

Verschiedene keramische Werkstoffe erfordern aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften individuell angepasste Strategien.

Bearbeitung von Oxidkeramiken

• Aluminiumoxid-Bearbeitung: Für Aluminiumoxid (Al₂O₃) setzen wir kontinuierliche Schnittbewegungen mit minimalen Richtungswechseln ein, um Kantenausbrüche an Korngrenzen zu vermeiden.

• Optimierung bei Zirkonia: Der Transformationshärtungsmechanismus in Zirkonia (ZrO₂) erlaubt etwas aggressivere Parameter, dennoch bleiben wir bei konservativen Einstellungen, um Mikrorisse zu verhindern.

Handhabung von Nichtoxidkeramiken

• Verfahren für Siliziumnitrid: Die hohe Bruchzähigkeit von Siliziumnitrid (Si₃N₄) ermöglicht konventionellere Bearbeitungsansätze, dennoch halten wir strikte Protokolle zur Rissvermeidung ein.

• Besonderheiten bei Siliziumkarbid: Für Siliziumkarbid (SiC) nutzen wir höchste Spindeldrehzahlen und die kleinsten Schnitttiefen, um, wo möglich, eine duktil-regime Bearbeitung zu fördern.

Umfassende Prozessvalidierung und Qualitätssicherung

Die Sicherstellung der Integrität keramischer Komponenten erfordert eine rigorose Prüfung und Validierung während des gesamten Fertigungsprozesses.

Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren

• Farbeindringprüfung: Wir setzen regelmäßig fluoreszierende Eindringmittel ein, um oberflächenbrechende Mikrorisse zu erkennen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind.

• Mikroskopische Untersuchung: Hochauflösende optische und Rasterelektronenmikroskopie ermöglichen die Beurteilung der Kantenqualität und das Erkennen von Mikrorissen, die Prozessanpassungen erforderlich machen.

• Ultraschallprüfung: Für sicherheitskritische Komponenten im Bereich Medizintechnik setzen wir Ultraschallprüfungen ein, um Suboberflächenschäden zu detektieren.

Schrittweise Prozessvalidierung in der Bearbeitung

• Vorbohren: Bei Durchgangsbohrungen und tiefen Merkmalen beginnen wir mit kleinen Pilotbohrungen, die schrittweise auf das Endmaß aufgeweitet werden, um Spannungskonzentrationen zu minimieren.

• Stufenweise Bearbeitung: Komplexe Geometrien werden in mehreren Bearbeitungsschritten hergestellt, wobei Zwischenprüfungen die Integrität bestätigen, bevor zu anspruchsvolleren Operationen übergegangen wird.

Komplementäre Sekundärprozesse

Bestimmte Risiken von Rissbildung und Ausbrüchen lassen sich durch gezielte Nachbearbeitung deutlich reduzieren.

Kantenverstärkungstechniken

• Thermisches Kantenverrunden: Kontrollierte thermische Prozesse können scharfe Kanten sanft verrunden und damit Spannungsspitzen eliminieren, die zur Rissausbreitung führen könnten.

• Laser-Mikroglätten: Für kritische Kanten setzen wir Laserprozesse ein, die eine dünne Oberflächenschicht aufschmelzen, Mikrorisse „heilen“ und druckeigenverspannte Randzonen erzeugen.

Spannungsarmglühbehandlungen

• Thermisches Spannungsarmglühen: Bei Komponenten, die Anzeichen von bearbeitungsinduzierten Spannungen zeigen, wenden wir genau kontrollierte Temperaturzyklen an, um diese Spannungen abzubauen, ohne die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen.

Mit diesem umfassenden Ansatz, der spezialisierte Werkzeuge, optimierte Prozessparameter, sichere Spanntechnik und rigorose Qualitätssicherung kombiniert, sind wir in der Lage, komplexe keramische Komponenten zuverlässig zu bearbeiten und das Risiko von Rissbildung und Ausbrüchen zu minimieren. Diese Expertise ermöglicht es uns, zuverlässige Keramikbauteile für anspruchsvollste Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und in industriellen Bereichen zu liefern.