Stacksystem mit funktionalisierter Schaumkeramik und LED-Array zur photokatalytischen Reinigung industrieller Prozesswässer. © Fraunhofer IKTS
Die Anforderungen an moderne Fertigungssysteme steigen kontinuierlich. Neben Präzision und Wirtschaftlichkeit rücken Aspekte wie Energieeffizienz, Rohstoffunabhängigkeit und Umweltverträglichkeit in den Vordergrund. Aktuelle Entwicklungen aus der Keramik- und Hartmetallforschung eröffnen neue Perspektiven: Zirkoncarbid, SiC-gebundene Diamantwerkstoffe, intelligente Hartmetalle und funktionalisierte Schaumkeramiken zeigen, wie sich Werkstoffinnovationen direkt in nachhaltige Produktionslösungen übersetzen lassen.
Zirkoncarbid – Hochtemperaturwerkstoff für Hochtechnologien
Zirkoncarbid zeichnet sich durch einen Schmelzpunkt von über 3500 °C, eine exzellente Vakuumstabilität und hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Allerdings war es für zahlreiche Anwendungen bisher nicht wirtschaftlich attraktiv im Vergleich zu konventionellen Refraktärmetallen wie Wolfram oder Molybdän. Durch ein am Fraunhofer IKTS neu entwickeltes druckloses Sinterverfahren können Zirkoncarbid-Komponenten nun aber kos-
tengünstig hergestellt werden. Dies eröffnet neue Einsatzfelder in Hochtemperaturöfen, Verdampferanlagen oder Vakuumprozessen. Für Fertigungsprozesse bedeutet dies: Komponenten aus Zirkoncarbid sind leichter, enthalten keine kritischen Rohstoffe und reduzieren den Energiebedarf. Damit kann Zirkoncarbid zu einem Schlüsselwerkstoff in der Hochtemperatur- und Hochvakuumtechnik sowie Halbleitertechnik und Photovoltaik werden.
SiC-gebundene Diamantwerkstoffe – Verschleißschutz und Thermal Management
Werkzeuge aus nanoskaligem Hartmetall (geschliffen von Fisch-Tools). © Fraunhofer IKTS
In Produktionsumgebungen mit hohen mechanischen und thermischen Belastungen kombinieren SiC-gebundene Diamantkeramiken die unikalen Eigenschaften von Diamanten und Siliciumcarbid. Das Ergebnis sind Werkstoffe mit einer zehnfach höheren Verschleißbeständigkeit als Borcarbid und Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 640 W/(m·K). In der Fertigung resultieren daraus verlängerte Einsatzzeiten und eine gesteigerte Prozesszuverlässigkeit, während der Wartungsaufwand sinkt. Im Bereich des Verschleißschutzes wurde der Werkstoff bereits für Mühlen, Sichter oder Sandstrahlanlagen realisiert und erfolgreich anwendungsnah getestet. SiC-gebundene Diamantwerkstoffe lassen sich aber auch als Thermal-Management-Komponente dort einsetzen, wo eine extreme Verlustleistung auf engsten Raum bei erhöhten Temperaturen auftritt oder eine große Funktionsverdichtung und Miniaturisierung bei gleicher Performance angestrebt wird. Zudem sind sie interessant für Converter mit direkter Kühlung. Aufgrund der ebenfalls sehr guten Korrosionsbeständigkeit von SiC-gebundenen Diamantwerkstoffen können Converter-Komponenten strukturiert und direkt mit Kühlmitteln in Verbindung gebracht werden.
Clevere Hartmetall-Entwicklungen – Rohstoffunabhängigkeit und Gesundheitsschutz
Hartmetalle sind seit Jahrzehnten unverzichtbar für die Fertigung von Schneid-, Bohr- und Umformwerkzeugen. Doch die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Wolfram und die Einstufung von Bindermetallen wie Kobalt als CMR-Stoffe stellen die Branche vor große Herausforderungen. Das Fraunhofer IKTS adressiert diese Probleme mit innovativen Ansätzen: Hoch-Entropie-Hartstoffe, Entwicklung binderfreier Hartmetalle und gezieltes Gefügedesign zur Lebensdauersteigerung. So können beispielsweise Werkzeuge realisiert werden, bei denen Wolfram substituiert oder dessen Gehalt deutlich reduziert werden kann, oder die neben einer harten Oberfläche auch einen zähen Kern besitzen. Ergänzend kommen additive Fertigungsverfahren zum Einsatz, die komplexe Geometrien und integrierte Funktionen ermöglichen. Für die Fertigung bedeutet das nicht nur eine höhere Flexibilität bei der Werkzeuggestaltung, sondern auch eine signifikante Ressourceneinsparung durch materialeffiziente Prozesse.
Funktionalisierte Schaumkeramik – Kreislaufführung von Prozesswässern
Werkzeuge aus nanoskaligem Hartmetall (geschliffen von Fisch-Tools). © Fraunhofer IKTS
Nachhaltigkeit endet nicht bei der Werkstoffauswahl für Werkzeuge und Komponenten. Auch die Prozessmedien müssen effizient gereinigt werden, um Kreisläufe zu schließen und Ressourcen zu schonen. Hier kommen funktionalisierte Schaumkeramiken ins Spiel, die am Fraunhofer IKTS für die photokatalytische Wasseraufbereitung entwickelt wurden. Ihre hochporöse Struktur bietet große Oberflächen für katalytische Beschichtungen, die unter UV-Licht reaktive Radikale erzeugen und auch hartnäckige Schadstoffe wirkungsvoll abbauen. Das Verfahren arbeitet ohne zusätzliche Betriebsmittel und lässt sich in bestehende Systeme integrieren. Somit können Prozess- und Abwässer direkt vor Ort gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Dies trägt zur Sicherung hochwertiger Wasserressourcen bei.
Diese Werkstoffinnovationen zeigen, wie sich durch intelligente Materialkonzepte die Fertigung nicht nur leistungsfähiger, sondern auch nachhaltiger gestalten lässt. Sie markieren den Weg zu einer Fertigung, die Ressourcen schont, Energie spart und Recyclingpotenziale eröffnet.
Weitere Informationen:
Susanne Freund, Dr.-Ing. Michael Zins
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
