Keramiken unter Kugelbeschuss

Hohe Temperaturen, korrosive Bedingungen – in einer solchen Umgebung machen Metalle recht schnell schlapp. Metallische Federn etwa versagen spätestens bei 500 Grad Celsius ihren Dienst. Doch was tun, wenn Produktionsprozesse genau solche Bedingungen erfordern?

Die Bauteile aus Keramik zu fertigen, löst das Problem bislang nur bedingt: Zwar ist dieser Werkstoff leicht, steif und trotzt Korrosion und hohen Temperaturen. Dünne Keramiken zu fertigen – etwa für Blattfedern, leichte Spiegel für optische und extraterrestrische Anwendungen oder Sensor- oder Brennstoffzellenmembranen – ist jedoch aufwändig und teuer.

Der Grund: Keramiken lassen sich nur mit kostspieligen Diamantwerkzeugen bearbeiten. Zudem entstehen bei der Bearbeitung Spannungen in der Oberfläche. Diese führen dazu, dass sich das gefertigte Teil verzieht, sobald es aus der Maschine genommen wird. Die Bauteile nachträglich wieder in Form zu bringen war bislang nicht möglich – das Material ist zu spröde. Es entsteht viel Ausschuss, der die Kosten in die Höhe treibt.

Präzise berechnete Bahnen weisen den Weg

Forscher der Fraunhofer-Institute für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin haben nun einen Weg gefunden, verzogene Keramiken über das Kugelstrahlen geradezubiegen. Dabei schießen die Mitarbeiter mit einer Strahlpistole kleine Kugeln auf die Oberfläche eines Bauteils. Durch den Aufprall der Kugeln wird eine dünne Randschicht verformt. Führen die Wissenschaftler die Pistole auf präzise berechneten Bahnen über die Keramik, können sie durch diese Verformung aus ebenen dünnen Keramikplatten leicht gekrümmte Spiegel erzeugen und unerwünschten Krümmungen entgegenwirken.

»Bei Metallen ist das Kugelstrahlen Usus«, sagt Dr. Wulf Pfeiffer, Geschäftsfeldleiter am IWM. »Da Keramiken jedoch spröde sind, ist das Verfahren bei diesen Materialien nie angewendet worden – sie könnten zerspringen wie ein Keramikteller unter einem Hammer. Wir mussten die Methode daher präzise an den Werkstoff anpassen.« Zunächst analysierten die Forscher, welche Kugelgrößen für Keramiken geeignet sind, denn zu große Kugeln würden die Oberfläche zerstören. Auch die Geschwindigkeit ist kritisch: Prallen die Kugeln zu schnell auf das Material, beschädigen sie es. Sind sie zu langsam, verformen sie die Oberfläche nicht ausreichend. Ein weiteres Ergebnis: Nicht zu viele Kugeln dürfen die gleiche Stelle bombardieren.

Soll ein neues Bauteil gefertigt werden, analysieren die Wissenschaftler zunächst experimentell, was sie der speziellen Keramik zumuten können. Sie beschießen sie mit dem Kugelstrahl und messen anschließend die erzeugte Spannung. Welche Verformungen kann man erreichen? Wie muss der Strahl geführt werden?

Verschiedene Prototypen haben die Experten bereits hergestellt, unter anderem eine Blattfeder aus Keramik und einen Hohlspiegel. Zum Herstellen einfacher Bauteile ist das Verfahren so weit fortgeschritten, dass es in die Serienfertigung gehen kann. In einem weiteren Schritt entwickeln die Wissenschaftler vom IWM nun eine Computersimulation – dann lassen sich auch Bauteile mit mehrachsigen Verformungen realisieren. Ihre Kollegen vom IPK arbeiten daran, das Verfahren mithilfe eines Roboters zu automatisieren.