Material Innovativ 2008
Keramik im Automobil – Von der Zündkerze zur Keramikbremse
Sowohl der rasante technische Fortschritt als auch die ständig wachsenden Anforderungen an Belastungsfähigkeit und Langlebigkeit erfordern insbesondere im Automotivbereich Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaftsprofilen.
Die spezifischen Merkmale von Hochleistungskeramik kommen überall dort zum Tragen, wo Metalle und Kunststoffe versagen. Gefragt sind vor allem geringes Gewicht, hohe Härte und Verschleißfestigkeit, Hitzeresistenz, Korrosionsbeständigkeit, thermische oder elektrische Isolation. Mittlerweile haben sich keramische Komponenten im Automobilbau auf breiter Basis etabliert und werden in Großserie eingesetzt. So erwirtschaftet z. B. die CeramTec AG bereits ein Drittel ihres Jahresumsatzes mit Keramikkomponenten für Automobilanwendungen.
Als Einsatzschwerpunkte sind der Bereich Elektronik, die Kraftstoffversorgung sowie der Abgasstrang zu nennen.
Die Verwendung von keramischen Komponenten im Automobil kann auf eine lange Tradition zurückblicken: bereits 1902 wurde von der Firma Bosch die keramische Zündkerze zum Patent angemeldet und eingesetzt.
Die in den 80er und 90er Jahren aufkommende Keramikeuphorie hat der Technischen Keramik eher geschadet als geholfen. Die hochgesteckten Ziele (z. B. keramischer Motor!) und Erwartungen wurden mit wenig Ausnahmen nicht erfüllt, was zu dem (Trug-) Schluß führte, Keramik sei für Automotiveanwendungen generell nicht geeignet bzw. ist zu teuer.
Einerseits führte diese Entwicklung vorübergehend zu einem negativen Image der Technischen Keramik, andererseits wurden dadurch aber Entwicklungen initiiert, die letztendlich der Keramik zum Durchbruch auf breiter Basis verholfen haben.
Durch intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten ist eine neue Werkstoffgeneration entstanden, die sich durch exzellente Eigenschaften und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Es ist mittlerweile ein Niveau erreicht worden, das vor einigen Jahren noch nicht vorstellbar war. Voraussetzungen für diese Entwicklung war die Verfügbarkeit hochreiner, synthetischer Rohstoffe, sowie die Etablierung neuer, prozesssicherer Technologien.
Durch gezieltes Gefügedesign ist es mittlerweile möglich, Werkstoffeigenschaften für spezielle Anwendungen zu „züchten“.
Parallel zu dieser Entwicklung begann bereits in den 80er Jahren ein eher „stiller Einzug“ keramischer Komponenten im Automobilbereich. Als Vorreiter auf der Werkstoffseite ist hier Aluminiumoxid zu nennen: Substrate für elektronische Schaltungen, Prallplättchen für die Benzineinspritzung,Öldrucksensoren, Komponenten für ABS und Kraftstoffpumpe, um nur einige Beispiele aufzuzählen.
Im gleichen Zeitraum etablierten sich piezokeramische Komponenten wie Klopf- und Rückfahrsensoren sowie in jüngerer Zeit der Piezoaktor im Common-Rail-System. Dies trifft gleichermaßen für Siliziumkarbid-Bauteile zu, wie Gleitringe für die Kühlwasserpumpe, die Glühstiftkerze oder den Dieselpartikelfilter. Bei Teilen auf silikatkeramischer Basis sind in erster Linie der Katalysator-Wabenkörper sowie Teile für die Lichttechnik (Xenon) anzuführen. Zirkonoxid (Ausnahme λ-Sonde) und Siliziumnitrid konnten sich aufgrund des vergleichsweise hohen Preisniveaus auf breiter Basis noch nicht durchsetzen.
Sicherheit, Verbrauch und Umweltaspekte können als die wesentlichen Innovationstreiber der Automobilindustrie angesehen werden. Die dramatische Veränderung des Weltklimas innerhalb der letzten Jahre verstärkt diese Situation zusätzlich. Nach einer im letzten Jahr veröffentlichten Studie läßt sich das von der Automobilindustrie angestrebte Wachstum vor allem durch Innovationen in den Bereichen „Antriebskonzept“ (Emissionen, Verbrauch, Gewicht) und Werkstoffe (Elektronik!) erreichen.
Zur Realisierung der gesteckten Ziele werden auch keramische Komponenten einen wesentlichen Beitrag liefern. Im Bereich der Elektronik kommen aufgrund der ständig zunehmenden Leistungsdichte und Miniaturisierung vermehrt Substrate auf Keramikbasis zur Anwendung.
Auch im Feld der Sensorik und Aktorik wird der Anteil an piezokeramischen Wandlern oder Stellgliedern zunehmen. Ein hohes Zukunftspotential wird selbstanpassenden adaptiven Systemen auf piezokeramischer Basis zugeschrieben (u. a. Lärmminderung, Vibrationskontrolle).
Auch bei alternativen Antriebskonzepten wird Keramik vertreten sein. Stellvertretend sei hier die Brennstoffzelle (SOFC) genannt, deren Schlüsselkomponenten keramischer Natur sind.
Letztendlich ist für eine potentielle Anwendung immer das Preis-/Leistungsverhältnis ausschlaggebend. Dabei sollte aber zur Entscheidungsfindung nicht ein Preisvergleich der Komponenten (z. B. Keramik/Metall) ausschlaggebend sein, sondern der Leistungsvergleich der beiden konkurrierenden Systeme.
Durch die konsequente Weiterentwicklung sowohl der Werkstoffe als auch der Technologien auf Basis beherrschter und großserienfähiger Prozesse sieht sich die keramische Industrie gut gerüstet für die Herausforderungen der Zukunft. Dies wird nicht zuletzt durch jährliche Zuwachsraten im zweistelligen Bereich dokumentiert.
Ansprechpartner:
Dr. Peter Stingl
CeramTec AG
Luitpoldstraße 15
91207 Lauf
