Mehrere Keramik-Rohlinge für Gefäße

Aus was besteht Keramik? Ursprünge & hochtechnische Weiterentwicklung

Keramik ist ein Sammelbegriff für anorganische, nichtmetallische Werkstoffe, die durch hohe Temperaturen geformt und gehärtet werden. Der Begriff leitet sich aus dem griechischen Wort „keramos“ ab (Bedeutung „gebrannter Ton“ oder „Töpfererde, Ziegel, irdenes Gefäß, Krug, Weinkrug, Töpferei“).

Seit Jahrtausenden wird Keramik in unterschiedlichsten Bereichen verwendet, daher besteht Keramik aus verschiedenen Rohstoff-Zusammensetzungen – je nach Einsatzzweck. Heute reicht das Spektrum von traditionellen Anwendungen wie Geschirr, Dachziegeln, feinen Porzellanen und Fliesen bis hin zu modernen, technisch hoch entwickelten Varianten.

Während herkömmliche Keramiken vor allem durch ihre ästhetischen und funktionalen Vorteile bestechen, sind technische Keramik-Werkstoffe für spezielle Anforderungen innovativ verfeinert worden.

Unterscheidung: Natur- und Technische Keramiken

Naturkeramiken sind traditionelle Keramiken, die aus natürlichen Rohstoffen wie Ton und anderen mineralischen Bestandteilen hergestellt werden. Zu den bekanntesten Beispielen gehören Töpferwaren, Ziegelsteine, Steingut und Porzellan. Sie zeichnen sich durch einfache Herstellungsmethoden und vielseitige Einsatzmöglichkeiten aus. Naturkeramiken werden vor allem für Haushaltsgegenstände, Bauwerke und Kunstobjekte genutzt.

Technische Keramiken, auch Hochleistungskeramiken genannt, sind hingegen speziell entwickelte Werkstoffe, die höchste Anforderungen erfüllen müssen. Sie werden aus besonders reinen und feinkörnigen Rohstoffen hergestellt, oft unter Einsatz modernster Technologien. Technische Keramiken zeichnen sich beispielsweise durch ihre herausragende Härte, Temperatur- und Verschleißbeständigkeit oder ihre chemische Inertheit aus. Bewährt haben sich Oxidkeramiken, Siliziumkarbide und Zirkonoxidkeramiken, die in der Industrie für Werkzeuge, Isolatoren, medizinische Implantate und viele andere Hochleistungsanwendungen unverzichtbar geworden sind.

Beispiele:

Die Unterschiede zwischen Natur- und technischer Keramik liegen vor allem in der Qualität der Rohstoffe, der Verarbeitung und den Endanwendungen. Wohingegen Naturkeramiken eher traditionelle und dekorative Zwecke erfüllen, revolutioniert die technische Keramik durch ihre Eigenschaften den modernen Industrie- und Technikbereich fortan.

Die wichtigsten Rohstoffe: Keramik besteht aus Ton, Kaolin & Mineralien

 

Quarz: Eine Komponente, aus der Keramik bestehen kann

 

Die Zusammensetzung von Keramik basiert im Wesentlichen auf natürlichen Rohstoffen, die durch ihre spezifischen Eigenschaften die Qualität und Anwendung der Endprodukte beeinflussen. Zu den wichtigsten Rohstoffen gehören Ton, Kaolin und verschiedene Mineralien.

  • Ton ist der bekannteste und häufigste Rohstoff für Keramik. Er besteht aus feinen Partikeln, die durch Verwitterung von Gestein entstanden sind. Ton besitzt die besondere Eigenschaft, sich im feuchten Zustand plastisch verformen zu lassen und beim Brennen eine feste Struktur zu entwickeln. Diese Plastizität ist entscheidend für die Formgebung in der Keramikherstellung.
  • Kaolin, auch als Porzellanerde bekannt, ist ein reines, helles Mineral, das hauptsächlich aus Kaolinit besteht. Es wird vor allem für die Herstellung von Porzellan und feinkeramischen Produkten verwendet. Kaolin verleiht der Keramik eine feine Oberflächenstruktur, eine hohe Reinheit und eine charakteristische weiße Farbe nach dem Brennen.
  • Zusätzlich zu Ton und Kaolin spielen Mineralien wie Feldspat, Quarz und verschiedene Oxide – wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumkarbid (SiC) und Zirkonoxid (ZrO₂) – eine bedeutende Rolle. Feldspat dient als Flussmittel, das den Schmelzpunkt des Materials senkt und die Bildung einer glasartigen Matrix beim Brennen unterstützt. Quarz verbessert die Härte und Temperaturbeständigkeit der fertigen Keramik. Weitere Mineralien, wie Eisenoxide, können die Farbgebung beeinflussen und zur individuellen Optik der Keramikwaren beitragen.

Die Kombination dieser Rohstoffe in unterschiedlichen Verhältnissen bestimmt die Eigenschaften der Keramik. Je nach Zusammensetzung entstehen feine, hochfeste Porzellane, robuste Steingutprodukte oder spezielle technische Keramiken mit einzigartigen Materialeigenschaften. Anders als bei traditioneller Keramik werden die Rohstoffe für technische Keramik oft synthetisch hergestellt oder gezielt aufbereitet, um exakt definierte Eigenschaften zu erreichen.

Silikatkeramiken vs. Oxidkeramiken

Silikatkeramiken bestehen hauptsächlich aus Siliziumverbindungen, die natürlich in Form von Ton, Kaolin und Quarz vorkommen. Diese Keramik-Arten werden bei relativ niedrigen Temperaturen gebrannt und zeichnen sich durch eine große Vielfalt an Anwendungen aus. Beispiele für Silikatkeramiken sind Steingut, Steinzeug und Porzellan, die vor allem für Haushaltswaren, Fliesen und dekorative Objekte Einsatz finden. Ihre Vorteile liegen in der guten Verarbeitbarkeit, der ästhetischen Vielseitigkeit und der ausreichenden mechanischen Festigkeit.

Oxidkeramiken beinhalten Metalloxide wie Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkonoxid (ZrO2) oder Magnesiumoxid (MgO). Sie werden unter sehr hohen Temperaturen gebrannt, wodurch sie extrem dichte und feste Strukturen entwickeln. Hauptsächlich finden Oxidkeramiken in der Industrie Anwendung, beispielsweise in Hochleistungsbauteilen, biokompatiblen Implantaten oder Isolatoren.

Die Wahl zwischen Silikat- und Oxidkeramiken hängt demnach von den Anforderungen an das Endprodukt ab. Während Silikatkeramiken aufgrund ihrer Vielseitigkeit und günstigen Herstellung weit verbreitet sind, bieten Oxidkeramiken unschlagbare Vorteile in Hochtechnologie-Anwendungen, bei denen Härte, Temperaturbeständigkeit und chemische Resistenz gefordert sind.

 

Wie wird Keramik hergestellt? Vom Rohstoff zum fertigen Werkstück

Keramikproduktion erfordert in jedem Schritt Präzision und Wissen, um die gewünschten Eigenschaften wie Härte, Temperaturbeständigkeit oder ästhetische Qualitäten zu erzielen.

Frühe Verfahren

Bereits in frühesten Zeiten wurde Keramik durch simple Verfahren hergestellt. Vor etwa 10.000 Jahren in der Jungsteinzeit formten Menschen Tonmasse zu einfachen Gefäßen, die sie an der Luft trockneten und in offenen Feuerstellen bei niedrigen Temperaturen brannten. Diese Gefäße dienten vor allem zur Aufbewahrung von Lebensmitteln und Wasser und markieren den Beginn der keramischen Fertigungstechnik. Mit der Zeit entwickelten sich fortschrittlichere Brennmethoden, die höhere Temperaturen und damit stabilere Produkte ermöglichten.

Rohstoffgewinnung und Aufbereitung

Der erste Schritt in der Keramikherstellung ist die Gewinnung und Aufbereitung der Rohstoffe. Natürliche Tonmineralien und andere Komponenten werden abgebaut, gereinigt und zerkleinert, um eine feine und homogene Ausgangsbasis zu schaffen. Für technische Keramik ist dieser Prozess besonders anspruchsvoll, da Reinheit und Korngröße noch entscheidender für die Werkstoff-Endqualität sind.

Formgebungsverfahren vor dem Brennen

 

Töpferscheibe: Formgebung in der Herstellung von Keramik

 

Während der Formgebung werden die keramischen Rohstoffe in eine gewünschte Gestalt gebracht, sei es durch manuelle Techniken oder maschinelle Verfahren.

Beim Nassverfahren wird der Ton oder die Tonmasse in plastischem, feuchtem Zustand bearbeitet. Typische Techniken sind das Drehen an der Töpferscheibe, das Gießen / Spritzgießen in Formen, das Extrudieren von Rohlingen oder das manuelle Modellieren.

Das Trockenverfahren hingegen wird vor allem in der industriellen Produktion verwendet. Hierbei kommen trocken gepresste Pulver oder Granulate zum Einsatz, die unter hohem Druck in Formen gepresst werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung großer Stückzahlen mit präzisen Abmessungen, wie etwa Fliesen oder technischer Keramik.

Beide Verfahren haben ihre spezifischen Vorteile: Während das Nassverfahren Flexibilität bietet, zeichnet sich das Trockenverfahren durch Effizienz und Genauigkeit aus. Die Wahl der Methode hängt daher von der Art des Endprodukts und dem Produktionsumfang ab.

Trocknung

Der Trocknungsprozess erfolgt in der Regel schrittweise, um die Restfeuchtigkeit aus der Keramikmasse zu entfernen. Zunächst trocknet die Keramik an der Luft oder in speziellen Trockenkammern. Die Geschwindigkeit des Trocknens spielt eine wichtige Rolle: Trocknet die Keramikware bzw. das keramische Bauteil zu schnell, können Spannungen entstehen, die zu Schäden führen. Daher wird oft eine kontrollierte Trocknung eingesetzt. Die richtige Trocknung legt den Grundstein für ein erfolgreiches Brennen und sorgt dafür, dass die Form und bei technischer Keramik vor allem die Qualitätsanforderungen des Werkstücks stabil bleiben.

Grünbearbeitung

Nach der Trocknung findet bei einigen Keramiken eine Grünbearbeitung statt. Dabei werden die getrockneten aber noch nicht gebrannten Werkstücke durch Schleifen oder Fräsen in Form gebracht. Dieses Verfahren ermöglicht es, große Materialmengen zu entfernen, bevor die Keramik seine endgültige Härte erhält.

Brennen von Keramik: Temperaturen und Techniken

Das Brennen (Sinterung) ist der zentrale Schritt, der Ton in ein festes keramisches Material verwandelt. Während dieses Prozesses wird die Keramik unter hohen Temperaturen erhitzt, wodurch sie ihre endgültige Härte, Dichte und Stabilität erhält.
Man unterscheidet zwischen dem Schrühbrand und dem Glattbrand. Der Schrühbrand ist der erste Brennvorgang bei etwa 900 °C. Hier verliert die Keramik ihre letzten organischen Bestandteile und wird porös, aber stabil genug für eine mögliche zukünftige Glasur. Der Glattbrand folgt meist bei höheren Temperaturen zwischen 1.200 °C und 1.400 °C, abhängig von der Art der Keramik.
Die Temperatur hat entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis: Während Steingut bei niedrigeren Temperaturen gebrannt wird, benötigt Porzellan höhere Temperaturen, um seine feine Dichte zu erreichen. Auch die Technik des Brennens spielt eine Rolle. In traditionellen Holzöfen, modernen Gasöfen oder elektrischen Brennöfen lassen sich unterschiedliche Ergebnisse hinsichtlich Farbe, Oberflächenstruktur und Materialeigenschaften erzielen.

Weißbearbeitung für maximale Präzision

Nach dem Brennen kann die Weißbearbeitung folgen, bei der die Keramik präzise gefräst, gebohrt, gesägt, gedreht oder geschliffen werden kann, um eine hohe Oberflächengüte und enge Toleranzen zu erreichen.
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Oberflächenveredelung

Eine Oberflächenbehandlung kann die Funktionalität und Optik je nach Verwendungszweck finalisieren. Durch eine Glasur und erneutes Brennen erhält Keramik eine schützende, wasserdichte oder auch dekorative Oberfläche. Alternativ sorgen Techniken wie Engoben oder Bemalung für individuelle Verzierungen.

Zusammenset­zung als Basis für vielseitige keramische End­produkte

Wir fassen zusammen: Woraus die jeweilige Keramik besteht, bestimmt letztlich grundlegend ihre Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten. Die richtige Mischung und Bearbeitung ermöglichen es, Keramik gezielt an verschiedene Anforderungen anzupassen – sei es für die Küche, das Bauwesen oder die Hightech-Industrie.

 

Keramikstück aus Hightech-Kontext

 

PCN Ceramic – Ihr Partner für präzise Komponenten

Durch ihre besonderen Eigenschaften treibt technische Keramik die Innovation moderner Technologien voran, beispielsweise dort, wo Metall oder Kunststoff nicht die gewünschten Voraussetzungen liefern. Wichtige Einsatzgebiete sind unter anderem Maschinenbau, Medizintechnik und Elektrotechnik.
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