Keramik vom Alltag bis zur Hightech-Anwendung

Im industriellen Einsatz sind Materialien gefragt, die den Belastungen zuverlässig standhalten. Kritisch sind oftmals hohe Temperaturen, abrasive Medien und aggressive Chemikalien. Hier zeigt technische Keramik ihre Stärken: sie ist verschleißfest, korrosionsbeständig und funktionell, auch dort, wo Metalle an ihre Grenzen stoßen.

Das Fraunhofer ISC vereint in seinem Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL seine Expertise zur Werkstoffentwicklung, Prozesssimulation und Bauteilanalyse unter einem Dach.

Im Fokus stehen neben monolithischen Keramiken, faserkeramische Verbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composites, CMC) sowie keramiknahe Materialien wie Metall-Keramik-Komposite und pulvermetallurgische Materialsysteme.

Unsere Besonderheit liegt in unserem Gesamtblick: Wir begleiten die Bauteilentwicklung anwendungsspezifisch entlang der gesamten Prozesskette von der Auslegung über die Rohstoffauswahl, Formgebung und Wärmebehandlung bis zur Endbearbeitung und Qualitätskontrolle.

Unsere Schwerpunkte

• Computer- und Datenbankbasierte Entwicklung und Optimierung von Oxid- und Nichtoxidkeramiken, Silicatkeramiken, Hartmetallen sowie keramischen und metall-keramischen Verbundwerkstoffen
• Simulationsgestütztes Bauteildesign für komplexe thermomechanische Anforderungen
• Mikrostrukturanalyse und Optimierung
• Additive Fertigung (3D-Druck) vom Prototyp bis zur Kleinstserie
• Wärmeprozessentwicklung zur Energieeinsparung, Effizienzsteigerung und Qualitätsverbesserung
• Invasive als auch zerstörungsfreie Material- und Bauteilprüfung unter repräsentativen Einsatzbedingungen

Im Fokus steht dabei die Nutzung digitaler Methoden: Material- und Thermodynamikdatenbanken sowie Mikrostrukturmodelle und FE-Simulationen ermöglichen passgenaue Lösungen für Bauteile, die extremen Belastungen standhalten müssen und dabei ressourceneffizient hergestellt werden sollen.

Keramik gilt als langlebig und verschleißarm. Eigenschaften, die an sich schon zu einer nachhaltigen Nutzung beitragen. Am Fraunhofer ISC, Zentrum HTL wird Nachhaltigkeit noch umfassender gedacht: Im Mittelpunkt steht die Frage, wie sich Ressourcen und Energie entlang der gesamten keramischen Prozesskette gezielt einsparen lassen.

Ein Schwerpunkt liegt auf der Optimierung der thermischen Prozesse. Auf Basis von präzisen Messmethoden, wie z.B. der thermooptischen Dilatometrie, werden in Kombination mit FE-Simulationen Wärmeprozesse so ausgelegt, dass der Energieverbrauch deutlich reduziert werden kann und gleichzeitig die Qualität verbessert bzw. der Ausschuss verringert wird. In Projekten wie HTPgeoX wurden entsprechende Strategien für den industriellen Maßstab umgesetzt.

Digitale Prozessketten helfen, den Material- und Energieeinsatz weiter zu verringern. Dazu zählen thermische Simulationen, Prozessdatenanalyse und der gezielte Einsatz von Modellierungstools. In Kombination mit einer effizienten Werkstoffauswahl lassen sich ressourcenschonende Lösungen bereits früh im Entwicklungsprozess verankern.

Auch auf Anwendungsebene wird das Thema Nachhaltigkeit konkret: Das Fraunhofer ISC, Zentrum HTL entwickelt keramische Wärmetauscher, Filter und Speicherkomponenten, die in industriellen Prozessen zur Effizienzsteigerung beitragen. Etwa in Industrieöfen, bei der Abwärmenutzung oder in der Energietechnik.

Nachhaltigkeit ist am Zentrum HTL kein Buzz-Word, sondern integraler Bestandteil der Werkstoff- und Prozessentwicklung. Ziel ist es, industrielle Produktion effizienter zu gestalten und zwar mit zielgerichteten Materialien, optimierten Prozessen und einer langfristigen Perspektive.

Nehmen Sie direkt Kontakt auf: Gerhard Seifert

ür Unternehmen, die keramische Bauteile unter hohen mechanischen, thermischen oder chemischen Belastungen einsetzen, bietet InCoKer einen direkten Mehrwert:

Die Werkstoffe werden gezielt für spezifische Anwendungsbedingungen ausgelegt. Durch den Einsatz digitaler Entwicklungswerkzeuge (Integrated Computational Materials Engineering, ICME) können Materialeigenschaften top-down simuliert und zielgerichtet ausgelegt werden. Möglich wird das durch digitale Werkstoffmodelle, simulationsgestütztes Prozessdesign und neue Werkstoffkombinationen, die sich anwendungsspezifisch anpassen lassen.

Besonders für KMU entstehen Vorteile:

Besonders für KMU entsteht ein Vorteil: Kürzere Entwicklungszeiten, weniger Ausschuss, bessere Vorhersagbarkeit und praxistaugliche Tools, die sich in bestehende Abläufe integrieren lassen. Das spart Entwicklungszeit, reduziert Ausschuss und senkt Stückkosten. Besonders relevant für effizient arbeitende KMU.

Zudem entstehen Demonstratoren, Tools und Methoden, die direkt in industrielle Prozessketten überführt werden können, ohne die langwierige Übertragung aus der Grundlagenforschung. Die beteiligten Partner erhalten Zugriff auf neu entwickelte Werkstoffe, Simulations-Apps und individuelle Unterstützung bei der Einführung in die eigene Produktion.

Ihre Ansprechpartnerin ist : Marina Stepanyan