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Spindel aus Keramik von Maxon: Vorteile gegenüber Stahl

Werkstoffe
Gewinde aus Zirkonoxid von Maxon schneiden bei hohen Drehzahlen besser ab als Stahl

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Um besondere Anforderungen an Verschleißfestigkeit oder Gleitfähigkeit zu erfüllen, kann anstelle von Stahl ein Gewinde aus technischer Keramik sinnvoll sein. Mit solchen Bauteilen hat Maxon Motor seit 20 Jahren Erfahrungen gesammelt. Die Medizintechnik ist ein wichtiger Einsatzbereich – in dem es oft um die Biokompatibilität des Werkstoffes geht.

Katrin Schmidt
Maxon Motor, Sexau

Lässt sich ein Bauteil mit Gewinde herstellen, das biokompatibel und verschleißfest ist sowie härter als Stahl? Das keine Verzögerungen im Bewegungsablauf hervorruft? Diese Frage wurde vor rund 15 Jahren an den Antriebsspezialisten Maxon herangetragen. Um solche Anforderungen zu erfüllen, schien technische Keramik geeignet, und die Fachleute fanden tatsächlich im Werkstoff Zirkonoxid (ZrO2) das passende Material. Daraus wurde damals die erste keramische Spindel konstruiert.

Inzwischen liefen die Entwicklungen weiter, und die größte Keramikspindel, die der Hersteller heute anbietet, ist
etwa 230 mm lang, hat einen Durchmesser von 10 mm und wird in der Messtechnik eingesetzt.

Keramik verspricht eine Reihe von Vorteilen gegenüber Stahl

Solche Gewindespindeln aus Hochleistungskeramik bieten gegenüber herkömmlichen Spindeln aus Stahl oder auch Kugelumlaufspindeln zahlreiche Vorteile, die in der Anwendung entscheidend sein können. „Abgesehen davon, dass Stahl die preisgünstigere Wahl ist, überzeugt Keramik in fast allen anderen Bereichen“, versichert Stefan Zilm. Er leitet bei Maxon den auf Pulvertechnologien spezialisierten Bereich Business Development & Quality-Engineering PIM (Powder Injection Moulding) und sagt mit Blick auf die Medizintechnik: „Die spezifischen und strengen Anforderungen dieser Branche forderten Maxon schon immer zu Höchstleistungen und Kreativität heraus.“

Zirkonoxid wird hauptsächlich dort eingesetzt, wo herkömmliche Werkstoffe versagen. Das Material ist verschleißfest, hat sehr gute Gleiteigenschaften, bietet sowohl hohe mechanische Festigkeit als auch Temperaturbeständigkeit. Es isoliert sehr gut, ist auch beständig gegen Korrosion und chemische Substanzen. Weitere Vorteile sind Biokompatibilität und das geringe spezifische Gewicht. Anders als der metallische Werkstoff Stahl ist Zirkonoxid fast nicht magnetisch, und auch der Härtegrad liegt höher. Das Elastizitätsmodul und der Wärmeausdehnungskoeffizient sind dagegen bei beiden Werkstoffen sehr ähnlich. Zilm betont: „Ein Magnetfeld wie beispielsweise in einem Kernspintomographen würde von Keramikspindeln nicht beeinträchtigt, da sie elektrisch isolierend und nicht magnetisch sind.“

Spindeln aus Keramik durch CIM herstellen

Mit Gewindespindeln lassen sich generell rotatorische Bewegungen in lineare Bewegungen umsetzen. Die Drehung der Spindel erzeugt durch die Spindelsteigung einen exakt definierten linearen Hub. Die Spindeln aus Keramik erhalten ihre Form im Ceramic Injection Moulding (CIM). Mit diesem Verfahren lassen sich auch sehr komplexe Keramikbauteile
mit hoher Präzision und Qualität herstellen.

Wegen der Gleiteigenschaften und Verschleißfestigkeit, die Spindeln aus Keramik aufweisen, lassen sich damit Drehzahlen von bis zu 10 000 min-1 realisieren. Eine Keramik-Spindel ist dabei aber 100 Mal verschleißfester als eine Spindel aus Stahl. Die Lebensdauer der Keramikspindel liegt im Vergleich zur Stahlspindel um ein Vielfaches höher – vorausgesetzt, es wird eine passende Mutter eingesetzt, die sogar mit einer spezifischen Beschichtung ausgestattet werden kann, die gezielt an die Anwendung angepasst ist. Generell eignen sich geschliffene Keramikoberflächen sehr gut für gleitende Bewegungen. Darüber hinaus hat Maxon für seine Keramikspindeln eine besondere Oberfläche entwickelt, das ceramic glide surface: Damit arbeiten die Spindeln beinahe ohne Slip-Stick-Effekt und ermöglichen schnelle, präzise Bewegungen.

In der Medizintechnik ist die Biokompatibilität wichtig

Für den Einsatz der Keramikspindeln in der Medizintechnik sind zumeist Biokompatibilität und Verschleißfestigkeit die wichtigsten Argumente, wie beispielsweise in Prothesen oder in der Dentaltechnik. In der Messtechnik, wo es vor allem um das präzise Positionieren geht, spielen die Gleiteigenschaften der technischen Keramik eine große Rolle. „Derzeit sind unsere Spindeln zum Beispiel auch in der Automatisierungstechnik, Dosierungstechnik und der Robotik im Einsatz“, ergänzt Zilm.

Standardmäßig produziert Maxon Spindeln in schwarzer oder weißer Keramik mit metrischem Gewinde von M2 bis M10. Spezifische Wünsche wie passende Muttern, Trapezgewinde oder jegliche Spezialgewinde können ebenso hergestellt werden, wobei Stückzahlen von 1 bis 10 000 pro Jahr möglich sind.


Über den Hersteller

Maxon entwickelt und baut Antriebssysteme vom Motor über das Getriebe bis zum Encoder. Den ‧Pulverspritzguss nutzt der Hersteller seit über 20 Jahren. Als Standards werden Spindeln und Achsen ‧angeboten. Kundenspezifische Hightech-Keramik-Komponenten sind ebenfalls möglich.
ceramic.maxongroup.de


Kontakt zum Hersteller:

Maxon Motor GmbH
Untere Ziel 1
79350 Sexau
www.maxongroup.de

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