Effiziente Niederenergie Entbinderungs- und Sintertechnik in der Keramikherstellung (ENITEC)

Problemstellung
Bei der Herstellung technischer Keramik werden ca. 50 % der Energie für die Wärmebehandlung verwendet. Die Wärmebehandlung wird benötigt, um den während des vorangehenden Formungsprozesses verwendeten organischen Binder zu entfernen sowie um die Keramik zu sintern. Bei Keramikbauteilen, die über Nassformgebung hergestellt werden, ist außerdem noch ein Trocknungsschritt erforderlich. Auch für die Endbearbeitung technischer Keramiken kann ein erheblicher Energieeinsatz notwendig sein.

Projektziele
Im Projekt ENITEC wurden die bisher unvollständigen Kenntnisse über den Energieverbrauch bei der Herstellung technischer Keramiken ergänzt. Über die Analyse der physikalisch-chemischen Hintergründe sowie die Entwicklung neuer, innovativer Ofentechnologien wurden realisierbare Einsparpotentiale aufgezeigt und verifiziert. Dieser Ansatz wurde dadurch unterstützt, dass insgesamt drei Keramikhersteller mit unterschiedlichem, jedoch für die Technische Keramik repräsentativem Produktportfolio sowie zwei Ofenbauer und zwei Institute mit komplementärem Know How zusammenarbeiteten. Sowohl durch die gezielte Auswahl der Demonstratoren als auch durch die unterschiedlichen Ofenkonzepte wird somit sichergestellt, dass eine breitflächige Übertragung in die keramische Industrie möglich ist und eine große Breitenwirkung bei der Umsetzung der Projektergebnisse erzielt werden kann.

Vorgehensweise
Ausgehend von einer Analyse der Energieaufwendungen im keramischen Herstellprozess wurde die Schwerpunksetzung im Vorhaben begründet. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand mit der Wärmebehandlung der energieaufwändigste Herstellungsschritt. Die Untersuchungen wurden anhand von ausgewählten Demonstratorteilen aus der laufenden Serie durchgeführt, die in Bezug auf die Anforderungen bei der Wärmebehandlung und Nachbearbeitung die gesamte Bandbreite der technischen Keramiken repräsentieren. Es wurden Methoden erarbeitet, mit deren Hilfe die energieaufwändigsten Schritte wie mehrfaches Aufheizen, Heißpressen, Nachbearbeitung entweder komplett eliminiert werden oder aber der notwendige Energieaufwand deutlich reduziert wird.

Ergebnis und Anwendungspotenzial
Schon bei der Formgebung und Trocknung der Keramiken können wesentliche Beiträge zur Energieeinsparung geleistet werden. So wurde bei den kaltisostatisch gepressten Zirkonoxidkeramiken eine sehr hohe Homogenität der Gründichte nachgewiesen. Diese führt dazu, dass nach dem Sintern die Dimensionstoleranzen unter 20 µm abgesenkt und auf die energieaufwändige Endbearbeitung komplett verzichtet werden kann. Die Trocknung ist, besonders bei großen Bauteilen, ein zeit- und energieaufwändiger Herstellschritt. Dieser wurde bei den Hochspannungsisolatoren durch Optimierung der Trocknungsparameter signifikant verbessert. Bei den Siliziumcarbidkeramiken wurden bisher die beiden Wärmebehandlungsprozesse Entbindern und Sintern getrennt durchgeführt, weil die dafür benötigten Ofenanlagen inkompatibel waren. Durch ein neues energieeffizientes Ofenkonzept wurde gezeigt, dass beide Prozesse ohne zwischenzeitliches Abkühlen in einer Ofenanlage durchgeführt werden können. Im Projekt wurden weitere energiesparende Ofenkonzepte erstellt. Außerdem wurden Simulationsmethoden entwickelt, die eine Optimierung der Ofenkurve im Hinblick auf minimalen Energieverbrauch ermöglichen. Die Computersimulation beruht auf zahlreichen Hochtemperaturmessdaten, für deren Erfassung geeignete Messverfahren entwickelt wurden. Im Ergebnis des Projektes wurde somit gezeigt, dass bei der Herstellung von technischen Keramiken Energieeinsparungen > 40 % durch Prozessentwicklung, neue Ofenkonzepte sowie mit Hilfe von Simulation und In-Situ-Messmethoden erreicht werden können. Entwicklungsergebnisse sind z.B. eine effizientere Nutzung des Ofenraumes (drastische Reduzierung der Brennhilfsmittel), die Reduzierung des Sinterverzuges durch optimierte Sinterprogramme (reduzierte Nachbearbeitungskosten), das Entbindern und Sintern in einem Schritt sowie die drastische Reduzierung der Sinterzeiten durch neue innovative Ofenkonzepte.

• BCE Special Ceramics GmbH
• CeramTec GmbH
• EISENMANN Anlagenbau GmbH & Co. KG
• FCT Systeme GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Lapp Insulators GmbH