Die Materialwahl für ein Bauteil in ingenieurtechnischen Anwendungen wie Keramiklagern wird von mehreren Faktoren bestimmt und nicht nur von den Materialeigenschaften.
Es müssen die durch die Lagerform und die Kosten auferlegten Einschränkungen berücksichtigt werden, sowie die Verteilung von Lasten und Spannungen, Toleranzen und andere Randbedingungen wie:
Die Betriebsbedingungen sind nicht die einzigen Faktoren zu berücksichtigen, da Keramikmaterialien auch während ihrer Herstellung besondere Sorgfalt erfordern, sowohl in der Formgebungs- als auch in der Sintrationsphase (oder „Brennung“).
Die Form von Keramiklagern muss unter Berücksichtigung ihrer Zerbrechlichkeit geprüft werden, insbesondere im sogenannten „grünen“ Zustand, d.h. ungebrannt. Tatsächlich ergeben sich aufgrund dieser Zerbrechlichkeit Einschränkungen bei Formen und Abmessungen aus folgenden Gründen:
- Konzentrations-Effekte von Spannungen besonders an scharfen Kanten
- Schwierigkeiten bei der Bearbeitung (Schleifen, Finish) vor dem Brennen
Abbildung A fasst die Designfaktoren zusammen, die die Produktionssicherheit von Keramiklagern beeinflussen können. In der linken Spalte von Abbildung A sind drei Beispiele für zu vermeidende Designs beschrieben, von oben: zu kleine Löcher, drastische Querschnittsänderungen, zu dünne Wandstärken im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen des Keramiklagers. Rechts sind die entsprechenden Maßnahmen aufgelistet: von oben nach unten größere Löcher, abgerundete Querschnittsübergänge, Verdickung zu dünner Bereiche im Verhältnis zur Objektgröße.
Abbildung A. Konstruktive Maßnahmen zur Produktionssicherheit. Von oben nach unten: Montagebohrungen eines Lagers, Querschnittsänderungen, Ringdicke.
Das geformte Produkt kann neben Brüchen durch thermische Spannungen auch Verzüge und Verformungen aufweisen, die zum Bruch führen können. Eine der Ursachen solcher Verformungen liegt in der unterschiedlichen Dichte, die an verschiedenen Punkten desselben Bauteils auftreten kann, wie in Abbildung B gezeigt. Die Dichte des keramischen Materials (gelb dargestellt), das an den Seiten gepresst wird, kann deutlich geringer sein als die Dichte des Materials im unteren Bereich, was während des Sinterprozesses zu Verformungen führen kann.
Abbildung B. Mögliches Problem während der Formgebung durch Spritzguss (unidirektionale Pressung).
(nach R. Morrell, Handbook for the designer, 1985 rekonstruiert).
Jeder Ring des fortschrittlichen Keramiklagers wird in der Regel mit Werkzeugmaschinen bearbeitet, um die gewünschte Maßgenauigkeit zu erreichen, mit allen damit verbundenen Nachteilen der mechanischen Bearbeitung, hauptsächlich der Einführung von Defekten (siehe Artikel zu „Fertigungsabschluss“).
Andererseits ist es, obwohl sehr kostspielig, eine notwendige Operation. Dennoch muss aufgrund dieser Notwendigkeit die Form des endgültigen Lagersatzes so gestaltet werden, dass bestimmte elementare Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden, von denen Abbildung A ein Beispiel zeigt: scharfe Kanten (links in Abbildung C) sind zu vermeiden, da sie während der Schleifbearbeitung Risse verursachen können. Es ist vorzuziehen, wie rechts in Abbildung C gezeigt, Fasen oder Rundungen zu verwenden. Insbesondere scharfe Kanten sind aufgrund ihrer Geometrie anfälliger für Temperatursprünge als ebene Flächen oder ohnehin abgerundete Kanten.
Abbildung C. Mögliches Problem beim Schleifen: Fasen oder Rundungen (rechts) sind, wenn nötig, immer vorzuziehen gegenüber scharfen Kanten (links).
Aus demselben Grund (um den Temperaturgradienten zu reduzieren) ist es nützlich, die Dicke der Ringe von Keramiklagern zu minimieren, die jedoch ausreichend sein muss, um die notwendige mechanische Festigkeit zu gewährleisten.
