Ein umfassender Leitfaden zu Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und mehr in der CNC-Bearbeitung

Die Kenntnis der in der CNC-Bearbeitung verwendeten Keramiktypen ermöglicht es Ingenieuren, Produktdesignern und Beschaffungsexperten, die am besten geeigneten Materialien für anspruchsvolle Anwendungen auszuwählen. 

In diesem Blog-Beitrag werden einige der wichtigsten keramischen Optionen, die Eigenschaften oder Merkmale wie Härte und Bearbeitbarkeit und die realen Umsetzungen der gleichen vorgestellt. Wunderbare Zahlen und offensichtliche, Expertenmeinungen sollten erwartet werden.

Die wichtigsten Keramiktypen für die CNC-Präzisionsbearbeitung

1. Aluminiumoxid-Keramik CNC-Bearbeitung

Aluminiumoxid-Keramik CNC-Bearbeitung ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren. Aluminiumoxid (Al 2 O 2 ) ist sehr hart (Mohs-Härte ~9), sehr verschleißfest, ein elektrisches Isoliermaterial und preiswert. Moderne Qualitäten wie 96%-Aluminiumoxid können eine Biegefestigkeit von bis zu 380 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 25 W/m-K aufweisen.

• Bearbeitbarkeit: Tonerde lässt sich trotz seiner Härte mit Diamantwerkzeugen in Kühlmittel präzise bearbeiten.
• Anwendungen: Ideal für Verschleißteile (Ventile, Dichtungen), Substrate für Elektronik und Komponenten in Industriemaschinen.

Mehr als 50 % der industriellen CNC-Bearbeitung von technischen Keramiken basieren auf Aluminiumoxid, weil es ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

2. Zirkonoxid-Keramik für Präzisionskomponenten

Stabiles Zirkoniumdioxid (ZrO 2 ), insbesondere mit Yttriumoxid (YSZ) dotiertes Zirkoniumdioxid, bietet eine wesentlich höhere Bruchzähigkeit als Aluminiumoxid (1015-mal höher) und ist hart (ca. 8,5 Mohs).

• Härte vs. Bearbeitbarkeit: Er ist etwas weniger hart als Aluminiumoxid, aber sehr viel zäher. Diamantwerkzeuge ermöglichen die CNC-Bearbeitung bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeiten.
• Anwendungen: Zahnimplantate und Präzisionsdüsen, Lager und Teile von Luft- und Raumfahrtsensoren.

Vergleichendes Verständnis

Beim Vergleich von Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid in Bezug auf Härte und Bearbeitbarkeit ist Aluminiumoxid etwas härter und Zirkoniumdioxid widerstandsfähiger gegen Stöße und Temperaturschocks, so dass Zirkoniumdioxid für komplexe Formen präzise zugänglich ist.²

3. Bearbeitbare Siliziumnitrid-Keramiken

Die maschinell bearbeitbare Siliziumnitridkeramik (Si₃N₄) vereint hohe Festigkeit (~1000 MPa), hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit und geringe Wärmeausdehnung (~3×10-6 / K).

• Bearbeitbarkeit: Die Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Werkstoffen wäre auf herkömmliche Weise schwieriger, aber durch den Einsatz von Hochdruckkühlmitteln und modernen CNC-Systemen mit Werkzeugen aus kubischem Bornitrid (cBN) oder Diamant ist es möglich, komplexe Si 3 N 4-Teile herzustellen.
• Anwendungen: Schneidwerkzeuge, Turbinenkomponenten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen und Lager für Hochtemperaturanwendungen.

4. Hochtemperaturkeramik Technische Keramik Technische Keramiken

Technische Keramik für Hochtemperaturanwendungen, einschließlich Siliziumkarbid (SiC) und hochentwickelte Aluminiumoxidmischungen, sind ideal für Anwendungen, die höhere Temperaturen erfordern.

• Siliziumkarbid: Sehr hohe Härte (9 9,5 Mohs), Wärmeleitfähigkeit über 120 W/m K. In Brennöfen, Heizelementen oder bei der Halbleiterverarbeitung.
• Hochleistungs-Tonerde-Gemische: Ausgelegt für 1.500 °C+ auf konventionelle Weise, mit besserer Kriechbeständigkeit.
• Bearbeitungen: Nicht mit Standard-CNC hergestellt; Diamantschleifen erforderlich; optionale CNC-ähnliche Formgebung durch Sintern und anschließendes Nachschleifen möglich.

5. Bearbeitbare Glaskeramik im Prototyping

Bearbeitbare Glaskeramiken für das Prototyping (z. B. Macor) sind isotrop und können mit normalen Metallbearbeitungswerkzeugen bearbeitet werden.

• Merkmale: Weniger hartes (ca. 5 Mohs), bearbeitbares legierungsähnliches Metall, kann gebohrt, geklopft und gefräst werden.
• Anwendungen: Standard-Prototypenvorrichtungen, Vakuumdurchführungen, kundenspezifische Laborteile.

Durch schnelles Zyklieren kann das Design validiert werden, bevor der Übergang zu schwierigeren Keramiken erfolgt.

6. Welche Keramiken eignen sich für die Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder Elektronik?

Luft- und Raumfahrt

• Siliziumnitrid und Siliziumkarbid: Turbinenschaufeln, Lager und Düsen.
• Zirkoniumdioxid: Sensorgehäuse; Verschleißteile.
• Medizinische

Zirkoniumdioxid: Sie werden sowohl in Zahnimplantaten als auch in Gelenkersatz verwendet, da sie biokompatibel und widerstandsfähig sind.

Tonerde: Hüftprothesen und Diagnoseelektronik.

Elektronik

• Tonerde: Altes Standardsubstrat für die Mikroelektronik, hohe Durchschlagfestigkeit.
• Bearbeitbare Glaskeramiken: Spezialanwendungen, kundenspezifische Gehäuse und Prüfvorrichtungen.

Aluminiumoxid vs. Zirkoniumdioxid: Vergleich von Härte und Bearbeitbarkeit

Praktische Anwendungen von Keramik in CNC 

Kfz-Sensorhalterung aus Zirkoniumdioxid: In einem Beispiel wurde ein Zirkoniumdioxid-Bracket bei 1.000 o C und 10.6 Vibrationszyklen getestet und zeigte bessere Leistungen als Alternativen aus Aluminiumoxid.

Turbinenrotor aus Siliziumnitrid: eine Industrieturbine mit einem Si 3 N 4-Rotor, die bei 1200 10.000 5 mit einer Verschleißrate von <2 5 % betrieben wird.

Bearbeitbare Glaskeramik-Laborhalterung: Der Prototyp aus maschinell bearbeitbarer Glaskeramik übertraf die Anforderungen, die an eine Laborvorrichtung aus Aluminiumoxid gestellt wurden, und verkürzte die Entwicklungszeit um 50 \%.

Elektronik: Eine Aluminiumoxid-Substrat wurde in einem Hochfrequenz-HF-Gerät verwendet, wobei ein 96-prozentiges Aluminiumoxid-Substrat aufgrund des geringen dielektrischen Verlusts und der CNC-Toleranzen eine um 20 Prozent bessere Signalintegrität bietet.

FAQs über keramische Werkzeuge: Verfahren der Keramik in der CNC-Bearbeitung in Norwegen

1. Welche typischen Keramiken kann man bei der CNC-Bearbeitung verwenden?

Gewöhnliche Keramiken sind: Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ), Zirkoniumoxid (ZrO 2 ), Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ) und technische Hochtemperaturkeramik sowie maschinell bearbeitbare Glaskeramiken. Beide weisen spezifische Eigenschaften auf, die in bestimmter Weise genutzt werden können.

2. Wie wird Aluminiumoxid-Keramik CNC-bearbeitet?

Aluminiumoxidkeramik wird häufig in der CNC-Bearbeitung zur Herstellung von Verschleißteilen, elektronischen Substraten und industriellen Komponenten verwendet. Sie bieten eine gute Härte und elektrisch isolierende Eigenschaften.

3. Was sind die Unterschiede zwischen Zirkoniumdioxid-Keramik in Präzisionsbauteilen zu Aluminiumoxid?

Zirkoniumdioxid hat eine geringere Härte als Aluminiumoxid, ist aber wesentlich zäher. Dies ist ein zusätzlicher Vorteil bei Präzisionsbauteilen oder komplexen Geometrien und stoßfesten Bauteilen, vor allem in der Medizin- und Luft- und Raumfahrtindustrie.

4. Können maschinell bearbeitbare Siliziumnitridkeramiken bei hohen Temperaturen verwendet werden?

Ja: Siliciumnitrid (Si ahn NF), Siliciumnitrid verhält sich gut bei hohen Temperaturen und Belastungen. Es wird normalerweise in schnell drehenden Turbinen, Teilen von Motoren und Schneidwerkzeugen verwendet, da es eine außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit aufweist.

5. Welche Anwendungen eignen sich für den Einsatz von maschinell bearbeitbarer Glaskeramik beim Prototyping?

Bearbeitbare Glaskeramiken eignen sich gut für das Prototyping, bei dem die Verwendung von Standardwerkzeugen erwünscht ist. Sie lassen sich leicht und schnell formen und werden dann auf haltbarere und härtere keramische Materialien übertragen.