Komplexe Pumpenkomponenten aus Hochleistungskeramik dank neuer Technologie

Pumpenkomponenten aus technischer Keramik sind eine innovative Lösung für anspruchsvolle Applikationen in aggressiven Medien und im Hochtemperaturbereich.

Wachsende Anforderungen

Bei der Werkstoffauswahl für mechanisch, thermisch und/oder korrosiv belastete Bauteile werden zunehmend keramische Werkstoffe herangezogen, wobei die überlegenen Eigenschaften dieser Materialien viele Konstruktionen bzw. Funktionalitäten überhaupt erst ermöglichen. Pulvertechnisch hergestellte Bauteile erhalten ihre Eigenschaften (und endgültige Geometrie) indem ein vorgeformter Körper aus einzelnen Partikeln in einem thermischen Prozess verdichtet wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser Werkstoffgruppe ist ihre fehlende Schweißbarkeit, die zu erheblichen Einschränkungen bei der geometrischen Auslegung von Bauteilen führt, so dass Hinterschneidungen, kompliziert geformte Kanäle, strömungsbrechende Elemente oder ähnliches nicht herstellbar sind.

Das Konzept für das EXIST- Forschungstransferprojekt „Fügetechnik Berlin“ basiert auf einer neuen, an der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) weiterentwickelten Spritzgusstechnologie für Keramikbauteile. Spezielle Feedstocks* ermöglichen es, spritzgegossene Komponenten eines komplizierten Formteils wie Kunststoffe miteinander zu verschweißen und anschließend über entsprechende Entbinderungs- und Sinterprogramme zu einem homogenen Keramikkörper weiter zu verarbeiten.

Ein besonderes Potential besitzt das neue Fügeverfahren für die kostengünstige Herstellung von Pumpenbauteilen mit komplizierten inneren Geometrien. Solche Bauteile können mit den bisherigen Spritzgussverfahren im Allgemeinen nicht hergestellt werden, weil für den Innenraum keine entsprechenden Formwerkzeuge existieren.

Optimierung durch neue Fertigungstechnologie

Das neu entwickelte Formgebungsverfahren unterscheidet sich von herkömmlichen Keramikfügeverfahren durch:

• stoff- und kraftschlüssige Verbindungen mit

• einer Festigkeit > 80% des Grundwerkstoffes,

• freie Gestaltung der Fügegeometrien,

• Eignung für Serien und Prototypen,

• Erstellung ohne Zusätze von Fremdmaterialien, die die Korrosionsfestigkeit beeinträchtigen.

Keramik als Pumpenwerkstoff der Zukunft

Pumpenkomponenten aus Hochleistungskeramik bieten sich dann als überlegene Alternative an, wenn Metall oder Kunststoff als nicht optimale Werkstoffe eingestuft werden. Häufig ist dies der Fall bei einem Anforderungsprofil mit besonderem Schwerpunkt auf:

• Mechanische Anforderungen (Festigkeiten, Härte, Dichte),

• Thermische Belastung (Maximale Einsatztemperaturen, Wärmedehnung, Wärmeleitfähigkeit) und/ oder

• Chemische Belastung (Säure- und Laugenbeständigkeit, Umwelteinflüsse, Korrosionsfestigkeit, Bioinertheit).

Durch die kontrollierte Weiterentwicklung von ZTA (Zirconia Toughened Alumina) ist es gelungen, einen zehn Mal abriebfesteren Werkstoff als handelsübliches Al203 (Aluminiumoxid) zu generieren.

Im Bereich der Pumpen lassen sich beispielsweise Wellen, Gehäuse oder andere Pumpenkomponenten aus technischer Keramik fertigen und somit Standzeiten von Pumpen verlängern, sowie ihre Reparatur- und Wartungskosten minimieren. Mit ihrem neuen Verfahren ermöglichen die Firmengründer eine Reihe neuer Anwendungen in der Pumpentechnologie.

* Feedstock bezeichnet einen plastischen Versatz aus Binder, Rheologieadditiven und Keramikpulver(n) zur Herstellung von spritzgegossenen Bauteilen.