Eine lange erwartete Modernisierung von Keramikfertigungsmethoden
Keramik war eines der ersten Materialien, mit dem unsere Vorfahren gearbeitet und aus dem sie Keramikfliesen, Töpferware und Lehmziegel gefertigt haben. Mit all diesem gesammelten Know-how – die ersten menschlichen und tierischen Figuren aus Lehm stammen ungefähr aus dem Jahr 24000 v. Chr. – kann es einem verziehen werden, wenn man denkt, dass die derzeitigen Keramikhersteller eingespielte Prozesse mit minimalen bis gar keinen Verlusten oder Mängeln nutzen. Die Wahrheit ist, dass wir davon weit entfernt sind. Statt sich im Laufe der Zeit und mit der Erfahrung zu verbessern, hat sich die Art und Weise, wie Keramik hergestellt wird, nicht sehr stark verändert. Sie wird durch die so genannte Formung hergestellt – wobei anorganische Pulver mit oder ohne Wasser in die Form des gewünschten Produkts gebracht werden – gefolgt vom Brandvorgang bei hoher Temperatur, üblicherweise über 1 000° C. „Beide Schritte sind für die mechanischen Eigenschaften und die Qualität des Endprodukts höchst wichtig, doch selbst heute noch basieren die keramische Verarbeitung und Gestaltung auf dem Prinzip von Versuch und Irrtum“, so Prof. Andrea Piccolroaz, Koordinator des Projekts CERMAT2 (New ceramic technologies and novel multifunctional ceramic devices and structures). „Die Konsequenz dieses Ansatzes ist eine sehr hohe Ausschussrate, die sich nicht nur auf die Fertigungskosten, sondern auch auf die Nachhaltigkeit der Keramikindustrie auswirkt. Es ist wenig überraschend, dass die Keramikindustrie eine der Branchen mit dem höchsten Energieverbrauch und somit für einen großen Teil der Treibhausgas- und Schadstoffemissionen verantwortlich ist.“ CERMAT2 hat nicht weniger als eine Revolution zum Ziel, eine, durch die sich die Keramikindustrie von ihren traditionellen Methoden entfernt und stattdessen einen rationaleren und wissenschaftlicheren Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz würde, basierend auf fortschrittlicher, nicht linearer mechanischer Modellbildung, eine mathematische konstitutive Modellbildung von Keramikmaterialien, experimentelle Analysen, Charakterisierungen und numerische Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode umfassen. Der Zweck? Optimierung des Designs anhand von virtueller Produktentwicklung – wobei das Design mittels computergestützter Engineering-Software in silico validiert wird, ohne dass ein physischer Prototyp zum Einsatz kommt. „Wir haben diese Methode erfolgreich entwickelt, und wir haben die numerischen Routinen und die Software für das optimale Design von Keramikmaterialien nun unseren Branchenpartnern geliefert“, freut sich Prof. Piccolroaz. „Das ist nicht nur für unsere Kenntnis der Keramikmaterialien ein Vorteil, sondern auch ein Fortschritt in Bezug auf die mechanische Gestaltung von Keramik.“ Den Branchen, die ihre Richtung ändern möchten, verspricht Prof. Piccolroaz eine deutliche Verringerung der Fertigungskosten dank des Einsatzes von virtueller Produktentwicklung. Darüber hinaus ermöglichen die Softwaretools, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden, eine Vorhersage der mechanischen Eigenschaften der Endstücke, was sich vermutlich bemerkenswert auf eine Minimierung von Mängeln auswirken und somit zu einer Verringerung der Ausschussrate führen wird. CERMAT2 wurde im Oktober 2017 abgeschlossen, doch die Arbeiten gehen seitdem weiter. Eines der Projektziele betrifft die Ausbildung einer neuen Generation junger Wissenschaftler im Bereich fortschrittlicher, nicht linearer Festkörpermechanik und der numerischen Umsetzung, die in der Keramikfertigung Anwendung finden. Einige dieser Forscher haben bereits ein erfolgreiches Start-up-Unternehmen gegründet, mit dem Ziel, die Methoden von CERMAT2 auf die gesamte Keramikbranche auszuweiten und sie dort zu verbreiten. „Wir werden weiterhin mit ihnen arbeiten, um unsere neue Technologie zum neuen Standard der Keramikfertigung zu machen“, so Prof. Piccolroaz.
Schlüsselbegriffe
CERMAT2, Keramik, Industrie, virtuelle Produktentwicklung, Fertigungskosten, Ausschuss
