New Generation Oxides - Performancesprung durch Realisierung neuer chemischer, physikalischer und mechanischer Eigenschaften unter Verwendung ressourcenschonender und innovativer Herstellverfahren
Der vielseitige Werkstoff Oxidkeramik findet Anwendung sowohl in der Medizin in Form von Dentalimplantaten und Gelenkendoprothesen als auch in der Mobilität und Umwelt. Im Verbundprojekt Oxidkeramik wird in vier Teilprojekten eine New Generation Oxides adressiert.
Problemstellung:
Die steigenden Anforderungen an oxidkeramische Werkstoffe – insbesondere hinsichtlich Festigkeit, Zuverlässigkeit, Miniaturisierung und ressourcenschonender Herstellung – konnten mit bestehenden Technologien und Materialien nur unzureichend erfüllt werden. Hinzu kamen Limitierungen bei der Formgebung, Skalierbarkeit und Defektminimierung.
Lösungsansatz / Neuentwicklung:
Durch gezielte Dotierungsstrategien und optimierte Festkörperprozesse wurden mehrphasige Oxidkeramiken mit signifikant verbesserten mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften entwickelt. Neue Formgebungsverfahren wie Keramikspritzguss und Druckschlickerguss ermöglichten eine endformnahe Verarbeitung bei gleichzeitiger Ressourcenschonung. Parallel erfolgte eine prozessbegleitende Materialcharakterisierung zur gezielten Steuerung von Mikrostruktur und Performance.
Potenzial:
Die Ergebnisse bieten Einsatzpotenzial in hochanspruchsvollen Anwendungsfeldern wie Medizintechnik (Endoprothetik, Dentalimplantate), Mobilität (LiDAR-Sensoren) und Hochtemperaturtechnik. Auch für sicherheitsrelevante Applikationen im Verschleißschutz oder in der Sensorik ergeben sich neue Lösungsansätze.
Weiterentwicklung:
Zukünftige Arbeiten sollten die Übertragbarkeit der entwickelten Dotierungs- und Formgebungsstrategien auf weitere keramische Systeme vertiefen, sowie die Integration keramischer Werkstoffe in hybride Bauteile mit Funktionsintegration fokussieren. Der Ausbau robuster, digital gestützter Scale-up-Prozesse zur Markteinführung ist ein zentrales Ziel.
Beteiligte im Verbundprojekt Oxidkeramik
Ansprechpartner:innen:
Thomas Oberbach | mathys enovis
Sabine Begand | Fraunhofer IKTS
Im Rahmen des Projekts SAPHIR wird intensiv an der Weiterentwicklung von ATZ-Keramiken gearbeitet – mit dem Ziel, dünnwandige Metallimplantate künftig durch eine abriebfeste, biokompatible und leistungsfähige Alternative zu ersetzen.
Die bereits verfügbare ATZ-Keramik der ersten Generation dient dabei als Ausgangspunkt. Im Fokus steht die gezielte Verbesserung des sogenannten Festigkeitssprungs, um die Belastbarkeit der Implantate weiter zu steigern und neue Anwendungsfelder zu erschließen:
Mit diesen Eigenschaften bietet die neue ATZ-Keramik das Potenzial, Implantate sicherer, verträglicher und langlebiger zu machen – ein echter Fortschritt für die Medizintechnik.
Deutlich zuverlässige und langlebige Zirkonoxid-Dentalimplantaten als bisherige kommerzielle Lösungen ist das Ergebnis des zweiten Teilprojekt in der Arbeitsgruppe Oxigkeramik. Ziel ist es, ein hochfestes Implantatmaterial zu entwickeln, das keinen Alterungseffekt durch Sterilisation zeigt:
Der konkrete Nutzen für Patient:innen und Zahnmedizin ergeben sich in einer höheren Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer der Implantate, einer besseren Osseointegration, also optimiertes Einwachsen in den Kieferknochen sowie in Form von weniger frühen Revisionen, was Kosten und Belastung reduziert.
Ziel ist es, das heute weit verbreitete synthetische Quarzglas durch ein leistungsfähigeres Material zu ersetzen – mit klaren Vorteilen für den industriellen Ofen- und Anlagenbau. Der Schlüssel liegt in der gezielten Verstärkung durch Cristobalit, einer Hochtemperaturmodifikation von Quarz, die der Glaskeramik neue Eigenschaften verleiht:
Mit dieser Entwicklung schafft SAPHIR die Grundlage für robustere, effizientere und langlebigere Komponenten im Hochtemperaturbereich – ein echter Fortschritt für thermisch belastete Industrien.
Etablierung eines neuen keramischen Leuchtstoffs auf YIG-Basis (Yttrium-Eisen-Granat). Dieser soll den bisher verwendeten gepressten YAG-Leuchtstoff mit hoher Defektdichte ersetzen. Ziel ist es, die Materialeigenschaften gezielt zu verbessern, um industrielle Prozesse effizienter und präziser zu gestalten.
Im Fokus steht die Entwicklung einer defektarmen flüssigen Formgebung, die die Herstellung homogener, monolithischer YIG-Keramiken ermöglicht: