Unter Kugelbeschuss

Hohe Temperaturen, korrosive Bedingungen – in einer solchen Umgebung machen Metalle recht schnell schlapp. Doch einige Produktionsprozesse erfordern genau solche Bedingungen. Bauteile aus Keramik lösten bislang das Problem nur bedingt: Zwar ist dieser Werkstoff leicht und steif. Er trotzt Korrosion und hohen Temperaturen. Doch dünne Keramiken zu fertigen – etwa für Blattfedern, Sensor- oder Brennstoffzellenmembranen – ist aufwendig 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.

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.“

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.