Die Vor- und Nachteile moderner Keramik

Trotz langsamer, großflächiger Einführung finden fortschrittliche Keramiken und Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix ein Zuhause in wichtigen Luft- und Raumfahrt- und Militäranwendungen.

Die heutige Keramik hat einen langen, langen Weg von den Brennöfen der Antike zurückgelegt. Keramik reicht 24.000 Jahre zurück. Ihre Anwendung entwickelt sich jedoch weiter, insbesondere für leistungsstarke militärische und kommerzielle Strahltriebwerke, Raketen, Raumfahrzeuge und in Komponententeilen und anderen Anwendungen, einschließlich „hoher Härte für Panzerungs- und Verschleißkomponenten oder hoher Temperaturbeständigkeit für feuerfeste Anwendungen“. zum Maschinendesign.

Ob als Strukturkeramik oder als Teil von Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen, das vielseitige Material hilft Herstellern, die Kraftstoffeffizienz in Strahlturbinentriebwerken zu steigern und gleichzeitig den Bedarf an Kühlung im Vergleich zu herkömmlichen Triebwerken zu eliminieren. GE Aviation behauptet beispielsweise, dass seine CMCs zwei Drittel leichter als Metall sind und eine um 20 Prozent höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen.

„Hochentwickelte Keramiken, die nach der Entdeckung des Bayer-Verfahrens zur Raffination von Bauxit im Jahr 1887 entstanden, haben im Vergleich zu herkömmlicher Keramik überlegene mechanische, thermische und elektronische Eigenschaften“, schreiben Anthony Vicari und Anthony Schiavo von Lux Research in einem Artikel für Maschinendesign.

Einige der größten Akteure der Branche haben die Vorteile von Keramik auch im Luft- und Raumfahrtdesign erkannt. Von General Electric bis United Technologies, Safran, Boeing und Rolls Royce wurden laut American Machinist seit den frühen 1980er Jahren mehr als 8.000 Patente für das Luft- und Raumfahrtdesign mit Keramik erteilt.

Fortschrittliche Keramik und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe:Nehmen Sie das Gute mit dem Schlechten

Trotz der Vorteile bedeutet dies nicht unbedingt, dass Keramik das A und O für Designmaterialien für die Luft- und Raumfahrt ist. Wie die Hersteller auch festgestellt haben, haben Keramiken Herausforderungen bei der Bearbeitung und bei den Kosten.

Keramik ist mit einer Fülle von wärmeisolierenden Eigenschaften ausgestattet, was sie zu einem effektiven Werkzeug macht, wenn sie mit den hohen Temperaturen in Flugzeugturbinen gepaart wird. Sie sind außerdem extrem leicht und korrosionsfrei, können dem Kontakt mit Düsentreibstoff standhalten und höhere Geschwindigkeiten und ein erweitertes Territorium im Weltraum erreichen. Das Formen und Verarbeiten kann jedoch langsam und mühsam sein.

„[Wenn] Keramik versagt, geschieht dies plötzlich und katastrophal, anstatt anmutig wie Metalle“, bemerkt Lux Research. „Das ist nicht die einzige Einschränkung:Strukturkeramiken haben eine extrem hohe Temperaturbeständigkeit, was bedeutet, dass sie mit langsamen und energieintensiven Festkörperverfahren verarbeitet werden müssen. Zudem macht die hohe Härte nach der Verdichtung die formgebende Bearbeitung von Keramik zu einer großen Herausforderung.“

Um einem katastrophalen Versagen entgegenzuwirken, wird eine Faserverstärkung verwendet, um die „Rißausbreitung durch die Matrix und die Traglasten zu kontrollieren, nachdem das Material zu versagen beginnt“, bemerkt Lux Research, wodurch CMCs „allmählich versagen können, eher wie das duktile Versagen von Metall“.

Keramik kann schwierig zu bearbeiten sein, aber nicht unmöglich

Hersteller wissen, dass die Verwendung von Keramik im Luft- und Raumfahrtdesign eine todsichere Möglichkeit ist, das Gewicht ihrer Flugzeuge zu senken und gleichzeitig ein langlebiges Material zu verwenden.

„Die gleichen Eigenschaften, die die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit erhöhen, erschweren auch die Bearbeitung“, schreibt Don Graham, Manager für Bildung und technische Dienstleistungen bei Seco Tools, in einem Artikel für Manufacturing Engineering. Die Schwierigkeit tritt während der letzten Bearbeitungs- oder Schleifphase auf, weist Graham darauf hin, wo die Oberflächenintegrität der Keramik beeinträchtigt wird, wenn sie falsch geschnitten wird. Darüber hinaus wird die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung bei einer hohen Materialabtragsrate weiter erhöht.

„Aufgrund der Sprödigkeit, der hohen Härte, der Kriechfestigkeit und der hohen Festigkeit sind herkömmliche Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Fräsen und Bohren bei Hochleistungskeramiken aufgrund von Rissen, Sprödbrüchen und Kantenausbrüchen nur schwer zu bewerkstelligen“, erklären Alexander Gorin und M. Mohan Reddy in ihrem Artikel Advanced Ceramics:Some Challenges and Solutions in Machining by Conventional Methods.

Die Schwierigkeiten bei der Bearbeitung mit Keramik können nicht vollständig beseitigt werden, aber Werkstätten haben laut Graham Wege gefunden, die Herausforderungen durch die richtige Werkzeugauswahl zu mindern. Werkzeuge mit scharfen Schneidkanten und positiven Spanwinkeln reduzieren die Schnittkräfte, während Wendeschneidplatten mit feinkörnigen Substraten für abrasive Schnittbedingungen gut geeignet sind.

„Die Faserverstärkung hat die Bedenken hinsichtlich der Sprödigkeit weitgehend überwunden, aber die Bearbeitbarkeit leidet unter der geringen Wärmeleitfähigkeit, hohen Härte und Abrasivität von CMCs“, schreibt Graham. „Zusätzlich zu herkömmlichen Bearbeitungsmethoden experimentieren Hersteller mit alternativen Verfahren zur Bearbeitung von CMC-Teilen wie Wasserstrahl, EDM, lasergestützter Bearbeitung, Schleifen und der Verwendung von PCBN-Einsatzwerkzeugen.“

Wenn Keramik falsch bearbeitet wird, verliert die Struktur ihre Festigkeit 

Wenn ein Keramikstück falsch bearbeitet wird, nimmt die Festigkeit der Struktur selbst stark ab. Wenn Sandwich-Verbundmaterial mit ausgefransten, unebenen oder verformten Kanten geschnitten wird, verliert die gesamte Struktur erheblich an Steifigkeit.

„Sandwich-Verbundmaterial, das ungleichmäßig geschnitten oder verformt wird, verliert seine Festigkeit, ähnlich wie das Falten von Wellpappe seine Steifigkeit zerstört“, schreibt Graham. „Für die Endbearbeitung müssen Werkstätten Hochgeschwindigkeits-Schaftfräser verwenden, die speziell für solche Sandwich-Verbundwerkstoffe entwickelt wurden.“

Bei der Bearbeitung von Keramik im Luft- und Raumfahrtdesign ist es entscheidend, jegliche Art von Verbiegung oder Ausfransen zu vermeiden. Die Lösung, betont Graham, besteht darin, eine Schneidemaschine mit sehr scharfen Kanten und hohen Schnittgeschwindigkeiten zu verwenden.

Keramik ist teuer, aber die Innovationen sind nützlich

Bei einer solchen Betonung eines starken, effizienten Schnitts bei der Bearbeitung von Keramik ist es kein Wunder, dass laut Gorin/Reddy viele Betriebe dafür bekannt sind, dass sie bis zu 80 Prozent ihrer Gesamtkosten für die Aufrechterhaltung der Integrität ihrer keramikbasierten Strukturen beisteuern Papier. Dies kann natürlich ein Problem darstellen, wenn Sie ein Budget verwalten oder versuchen, Mittel für andere Aspekte der Arbeit zuzuweisen.

„Designer, die die überlegenen mechanischen Eigenschaften von CMCs nutzen möchten, müssen für dieses Privileg bezahlen“, bemerkt Lux Research im Artikel MachineDesign. „Die günstigsten Graphit-/Kohlefaser-CMCs erzielen Preise von etwa 30 $/Pfund für einfache Formen, die mit der Bearbeitung dramatisch steigen. Siliziumkarbid-Matrix/Siliziumkarbid-Faser-CMCs für Hochtemperaturanwendungen erfordern hochreine Fasern mit Preisen ab über 4.000 $/lb, was zu Vorformpreisen von über 9.000 $/lb führt.“

Experten stellen fest, dass die Einführung von Keramik nur langsam erfolgt und oft durch Subventionen und Anreize aus staatlichen Mitteln unterstützt wird. Um wirklich durchzustarten, müssen die Kosten also gesenkt werden. Lux Research weist darauf hin, dass „Technologien, die die Kosten von Zwischenprodukten wie Fasern senken, neue Märkte erschließen können und Fortschritte bei der Verarbeitung CMC-Teile zuverlässiger machen und so die Qualifizierung erleichtern können.“

Hat Ihre Werkstatt schon einmal mit Keramik gearbeitet? Wenn ja, vor welchen Herausforderungen standen Sie und Ihr Team? Lass uns wissen!