Wenn Sie Keramik fräsen möchten, bieten sich für jedes Material und jede Keramik-Generation verschiedene Werkzeuge und Verfahren an – von Grün- bis Hartbearbeitung.
TechnikKeramiken fräsen für präzise Werkstücke mit außergewöhnlichen Eigenschaften
Das Fräsen von Keramiken versorgt viele Industrien mit außergewöhnlich beständigen Werkstücken. Genauer gesagt sind technische Keramiken für ihre besonderen chemischen Eigenschaften und ihre Härte bekannt. Genauso aber auch für ihre Sprödigkeit, die eine verbesserte Materialrezeptur mit Faserwerkstoffen erfordert. Beim Fräsen von Keramik müssen die Werkzeuge an diese Eigenschaften ausgerichtet sein, damit die Materialien nicht splittern, keine Risse bilden und sich eine gleichmäßig hohe Oberflächengüte nachbearbeiten lässt.
Technische Keramik für die Industrie
Industrielle Keramiken werden überall dort eingesetzt, wo andere Werkstoffe dem chemischen Einwirken nicht standhalten würden. Durch ihre hohe Härte sind diese technischen Keramiken aber auch gegen physische Belastungen gewappnet und zeichnen sich als Bauteil durch ihre Laufruhe aus. Anders sieht es bei deren Bearbeitung aus. Die meisten Keramiken lassen sich eigentlich nur über minimales Krafteinwirken ordentlich bearbeiten. Dieses Kriterium hängt aber auch stark von der Sinterstufe der Keramik, also Ihrer Generation, ab. Ungebrannte Keramiken zu fräsen funktioniert anders, als einen gebrannten Rohling zu bearbeiten.
Grundmaterialien technischer Keramiken
Zu den industriellen Grundmaterialien beim Keramikfräsen gehören beispielsweise Siliciumcarbid (SsiC/SiSiC), eine Nichtoxidkeramik so hart wie Diamant, oder der am häufigsten eingesetzte oxidkeramische Stoff Aluminiumoxid (Al2O3), aber auch das vielseitige Bornitrid (BN). Ihre typischen Eigenschaften erhalten diese Keramiken zusammen mit organischen Bindern und nach dem Sintervorgang.
CMC Keramiken (Keramischer Faserverbundwerkstoff)
Eine Gruppe technischer Keramiken wird mit einem Faserstoff verstärkt. Daher verstecken sich hinter der Abkürzung CMC die englischen Begriffe „Ceramic Matrix Composites“ (wörtlich für „Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe). CMC Keramiken zerspanen pulverförmig, weswegen sie beim Schleifen und Fräsen sehr anspruchsvoll sind. Eingesetzt wird CMC z. B. in Gleitlagern oder großen Pumpen.
Ox-Ox-Verbindungen
Eine besondere Gruppe der CMC Keramiken stellen die Ox-Ox-Verbindungen dar, auch Ox/Ox-CMC, die ihren Namen durch ihre oxidkeramische Zusammensetzung erhalten. Sie basieren auf gewebten Endlosfasern und verbinden die positiven Eigenschaften von Metallen und Keramiken, zum Beispiel für den Einsatz unter starker physikalischer Belastung, unter Thermoschock und unter korrosiven Einflüssen.
BesonderheitenDas ist beim Fräsen von Keramik zu beachten
Bevor Sie Keramiken fräsen, sollten Sie auf einen gezielten Werkzeugeinsatz und auf die Materialanforderungen der Verbundstoffe achten. Der Weg von einem Rohling bis zum veredelten Bauteil kann durchaus komplexer und anspruchsvoller als beim Metall fräsen sein. Das gilt nicht zuletzt für feine Geometrien und faserverstärkte Keramiken.
Generationen der Bearbeitung
Fräser für Keramiken müssen je nach Sinterstufe gewechselt werden. Bei der Grünbearbeitung liegt die Keramik ungebrannt vor. Ziel der Bearbeitung ist eine möglichst endkonturnahe Form zu erschaffen. Die Weißbearbeitung bezieht sich auf vorgebrannte Keramiken, an denen sich scharfe Fräser am effektivsten einsetzen lassen. Fertig gebrannte Keramiken kommen in die Hartbearbeitung, für eine hohe Oberflächengüte.
Fräsen & Schleifen
Während das Fräsen am effektivsten bei jungen Keramik-Generationen eingesetzt wird, dient Schleifen der Hart- und Nachbearbeitung. Für die Entgratung wird beispielsweise das Gleitschleifen eingesetzt, auch Trowalisieren genannt. Um Glanzflächen zu schleifen, werden Keramiken unter anderem mit Glasperlen, Sand oder Kugeln bestrahlt. Mattierte und strukturierte Flächen lassen sich durch das Bürsten erzeugen.
Werkzeugeinsatz
Geeignete Fräsköpfe für Grün- und Weißbearbeitung von CMC Keramiken bilden die PKD-Werkzeuge (Polykristalliner Diamant). Diamantwerkzeuge eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von sprödharten, keramischen Werkstücken. Bei extrem harten Werkstoffen kommen Ultraschall-Werkzeuge zum Einsatz, sofern eine andere Form der Bearbeitung außer Schleifen möglich ist.
Vorbeugung Risse & Brüche
Grundsätzlich wird Keramik mit geringen Krafteinwirken gefräst, gebohrt oder geschliffen, sodass keine Risse entstehen. Bestimmte Keramiken wie CMC Werkstoffe nehmen keine Temperaturen auf und sorgen durch ihre Sprödigkeit für pulverartigen Spanabfall. Werden die Fräsköpfe während der Bearbeitung nicht richtig gereinigt, könnten die Partikel verklumpen und ein Risiko für Werkstück und Fräser darstellen.
Kühlmittel & Reinigung
Der Pulverspan, auch Keramikstaub genannt, wird mithilfe einer Emulsion abtransportiert. Das Flüssigkeitsgemisch dient außerdem der Kühlung beim Keramikfräsen. Bei komplexen Geometrien und sehr kleinen Borhungen ist allenfalls eine innere Kühlmittelzufuhr (IKZ) nötig. Um die Emulsion selbst auch zu reinigen wird beispielsweise eine Zentrifuge eingesetzt.
Genauigkeit & Komplexität
Wie bereits angerissen, hängt die strukturelle Gestaltungsfreiheit von der Form des Rohlings ab. Bei der Grünbearbeitung können Keramiken leicht gefräst werden. Es lassen sich Bauteile herstellen, die schon vor dem Sinterbrand ihre finale Form annehmen. Wie komplex und fein die Bauteilstrukturen am Ende aussehen dürfen, hängt auch von der Materialrezeptur ab. Faserverstärkte Keramiken werden dafür eher überzeugen.
FAQHinweise vor dem Kauf eines Fräsers für Keramik
Konnten Sie das passende Verfahren für Ihren Einsatz erkennen und möchten nun ein Maschinenkonzept und die passenden Fräsbohrer wählen? Sobald Sie sich konkret mit der CNC Technologie zum Keramikfräsen auseinandersetzen, können typische Fragen auftreten, die wir Ihnen gerne im Vorfeld beantworten. Dafür möchten wir auch tiefer in den Materialtypus der Keramik-Generationen eintauchen, da diese ein entscheidendes Kriterium für die Wahl der richtigen CNC Maschine, des Temperaturmanagements und der Verfahrensart (Bohren, Schleifen, Fräsen) darstellen.
Wofür wird das Fräsen von Keramik eingesetzt?
Gefräste Keramiken finden beispielsweise Anwendung als Hartmetallwendeplatten, als Thermoelemente und besonders häufig findet die CNC Technik zum Keramikfräsen in der Dentaltechnik Zuspruch. Für diesen Bereich werden teils extra Maschinenkonzepte entwickelt, die optimal auf medizinische Anforderungen vorbereitet sind.
Was passiert bei der Weißbearbeitung?
Gegenüber der Grünbearbeitung bringt die Weißbearbeitung beim CNC-Fräsen von Keramik deutlich verschleißärmere Verfahren ein. Da der Weißling bereit vorgebrannt ist und die Materialfestigkeit durch den Brand bestimmt wird, können konventionelle Werkzeuge für das Keramikfräsen eingesetzt werden – wie auch Diamantköpfe. Das Material pulvert beim Abtragen und vermindert den Werkzeugverschleiß. Aufgrund dieser Eigenschaften wird diese Keramikstufe sowohl für den Prototypenbau, aber auch für Serienproduktionen eingesetzt.
Können CNC Maschinen gleichzeitig Keramiken schleifen und fräsen?
Mit dem richtigen Maschinenkonzept kann der Produktionsweg deutlich reduziert werden und die CNC Maschine unterstützt dann sowohl den Fräs- als auch den Schleifprozess. Dabei handelt es sich um Multi-Use-Köpfe mit verschiedenen Werkzeugaufsätzen beziehungsweise mit selbstbestückenden Werkzeugmodulen. Wichtig für die Kompatibilität und für die rückstandslose Materialbearbeitung ist die Absaugung und die Abdeckung der Achsen sowie die Sperrluft in den Fräsmotoren.
Was genau bedeutet Grünbearbeitung und wie funktioniert sie?
Bei der Grünbearbeitung liegt die getrocknete oder leicht feuchte Keramik im ungebrannten Zustand vor und enthält organische Hilfsstoffe. Es kann sich aber auch um ein gepresstes Keramikpulver handeln, das in seiner Konsistenz etwas an Graphit erinnert. In der Grünbearbeitung ist das Material so leicht formbar, dass keine besonders harten Werkzeuge erforderlich für den Fräsvorgang sind. Um den Fräsvorgang jedoch ohne ein Verschlicken durchzuführen sind beschichtete Spezialwerkzeuge notwendig. Am besten gerüstet sind dafür Wendeplattenfräser. Der sogenannte Grünkörper erhält durch das Keramikfräsen seine endgültige Form, die er nach dem Sintern als hochfestes Bauteil einsatzbereit behält.
Wie werden technische Keramiken zum Fräsen hergestellt?
Anders als metallische Werkstoffe werden technische Hochleistungskeramiken bereits während der Herstellung des Werkstoffs auf eine Größe, Form und Materialeigenschaften festgelegt. Zu diesen Schritten gehören die Aufbereitung des Pulvers, also der Materialrezeptur, die anschließende Formgebung und der Brand. Die Formgebung kann gemäß der Grünbearbeitung bereits über die CNC-Fräsmaschine erfolgen, andernfalls wird der Grünkörper in eine Rohform gepresst und anschließend nach dem Brand als Weißling bearbeitet.
In ihrer Komposition betrachtet sind Keramiken anorganische, nicht-metallische Werkstoffe mit polykristalliner Struktur. Es läge also nahe, auch industriell eingesetzte Diamanten als Keramiken zu bezeichnen. Wichtig bei der Zusammensetzung ist auf eine Materialprüfung nach der Herstellung zu achten. Denn bei Keramiken kommt es weniger darauf an, die richtigen Grundmaterialien zu wählen, darunter fallen in der Regel Bornitrid, Siliciumcarbid und Aluminiumoxid, sondern Fehlstellen zu vermeiden. Damit ist gemeint, beim Pressen und Umformen Mikrorisse zu verhindern oder entsprechend auszugleichen, sofern noch möglich.
Passgenaue CNC Maschinen zur Keramikbearbeitung
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