Keramische Technologie als Gegenstandsbereich des Faches Technik

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Technologie Keramik
2.1. Einteilung der Keramik
2.2. Begriffsbestimmung und Grundlagen der Herstellung von keramischen Erzeugnissen

3. Keramische Rohstoffe
3.1. Einteilung der Rohstoffe
3.1.1. Natürliche Rohstoffe
3.1.2. Aufbereitete Rohstoffe
3.1.3. Produkte der chemischen Industrie
3.1.4. Sekundärrohstoffe
3.2. Rohstoffarten
3.2.1. Plastische Rohstoffe
3.2.2. Unplastische Rohstoffe

4. Die Gestaltung (Formgebung)
4.1. Werkstoffe für keramische Formen
4.1.1. Holz
4.1.2. Stahl
4.1.3. Gips
4.1.4. Kunstharz
4.2. Formgebungsverfahren
4.2.1. Schlickergießen
4.2.2. Die bildsame Formgebung
4.2.3. Die Pressformgebung
4.3. Veredelung
4.3.1. Engobieren
4.3.2. Glasieren
4.3.3. Dekorieren
4.4. Mechanische Nachbehandlung der Erzeugnisse
4.4.1. Trennen
4.4.2. Schleifen
4.4.3. Polieren

5. Ein Brand zur Umwandlung der Rohstoffe in den keramischen Scherben

6. Didaktische Arrangements für den Technikunterricht an der Hauptschule
6.1. Verortung im Bildungsplan
6.2. Didaktische Überlegungen für den Technikunterricht

7. Geschichte und Entwicklung der Keramik
7.1. Von der Frühzeit der Keramik bis zur Antike
7.1.1. Didaktische Überlegungen zur Frühzeit der Keramik bis zur Antike
7.2. Die Römerzeit
7.2.1. Didaktische Überlegungen zur Römerzeit
7.3. Das Mittelalter
7.3.1. Didaktische Überlegungen zum Mittelalter
7.4. Vom Mittelalter bis zum Ende des 18. Jahrhunderts
7.4.1. Didaktische Überlegungen vom Mittelalter bis zum Ende des 18. Jahrhunderts
7.5. Das Industriezeitalter
7.5.1. Didaktische Überlegungen zum Industriezeitalter

8. Resümee

9. Quellenverzeichnis

1. Einleitung

Wahrend einer Besichtigung in der Firma „Duravit", die Sanitarprodukte aus Keramik herstellt, kam mir bereits der Gedanke das Fachgebiet der Keramik zum Gegenstand meiner wissenschaftlichen Hausarbeit zu machen. Dort erhielt ich erstmals einen Einblick in die heutigen Herstellungsverfahren der Sanitärkeramik, die auf die ersten Herstellungsverfahren in der Geschichte der Keramik zurückgehen. In meiner Arbeit „Keramische Technologie als Gegenstandsbereich des Faches Technik. Entwicklung eines Lehr-Lern-Arrangements fur die Hauptschule" werde ich deshalb auf das Fachgebiet der Keramik und deren historischen Entwicklung eingehen.

Ich werde im Folgenden beschreiben, wie keramische Produkte hergestellt werden und wie sie sich im Laufe der Geschichte entwickelt haben. In einem weiteren Schritt möchte ich dabei auch wichtige Begriffe einbringen und deren Bedeutung erklären. Im ersten Teil möchte ich unter anderem Fragen beantworten wie: Was ist Keramik? Welche Unterschiede gibt es zwischen den verschiedenen Produkten? Wird bei der Herstellung nur Ton verwendet, oder gibt es auch andere Rohstoffe? Wie erhalten die verschiedenen Produkte ihre Form? Warum muss Keramik gebrannt werden? Was passiert beim Brennen überhaupt?

Nachdem diese Fragen beantwortet sind, folgt im Hauptteil meiner wissenschaftlichen Arbeit, die Verortung im Bildungsplan und meine Einschätzung, wie relevant dieses Thema für die Schülerinnen und Schüler in der Hauptschule ist. Abwechselnd werde ich hierbei die wichtigsten Epochen in der historischen Entwicklung der Keramik aufzeigen und beschreiben und zu jeder Epoche didaktische Überlegungen anstellen. Die historische Entwicklung beginnt bei den Anfängen des keramischen Handwerks, etwa 20 000 Jahre vor Christus und beschreibt die wichtigsten Entwicklungen und Erfindungen, die bis zur heutigen Zeit gemacht wurden. Mein Ziel ist es, die wichtigsten und relevantesten Entwicklungen und Neuerungen im Umgang mit Keramik herauszuarbeiten und ihre Relevanz und Umsetzung für den Unterricht an der Hauptschule zu prüfen.

Im letzten Kapitel der Geschichte zeige ich, in welchen Bereichen die Keramik heute Verwendung findet und warum sie für andere Fachgebiete so unverzichtbar ist.

Meine didaktischen Überlegungen sollen Möglichkeiten darstellen, wie das jeweilige historische Kapitel im Unterricht bearbeitet werden könnte. Die vorgeschlagenen Methoden sollen dabei helfen, den Technikunterricht für die Schüler interessant und lehrreich zu gestalten und sie mit Arbeitstechniken vertraut zu machen, die im Bildungsplan genannt werden.

Im Kapitel Technologie Keramik werde ich mich ausschließlich auf die Werke von Salmang/Scholze, Feurich, Fransee und Scholl beziehen, in den historischen Kapiteln beziehe ich mich überwiegend auf Mämpel und Litzow.

2. Technologie Keramik

2.1 Einteilung der Keramik

Die Keramik wird nach Grob- und Feinkeramik unterteilt, und unterliegt demzufolge zweier Kriterien. Erstens wird nach er unterschiedlichen Gröl3e der Teilchen unterschieden. Sind die Ungleichmäl3igkeiten der Teilchen kleiner als 0,1-0,2 mm spricht man von Feinkeramik, sind die Ungleichmäl3igkeiten der Teilchen dagegen gröl3er als 0,1-0,2 mm bezeichnet man das Erzeugnis als Grobkeramik. Als zweites Kriterium dient die Wasseraufnahmefähigkeit des gebrannten Erzeugnisses. Die Wasseraufnahmefähigkeit gibt an, wie viel Wasser ein Erzeugnis nach dem Brand aufnehmen kann. Die Grenzen liegen in der Grobkeramik bei 6% und in der Feinkeramik bei 2% (siehe Schaubild ).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schaubild 1. Einteilung der keramischen Werkstoffe (Fransee o.J. S. 107)

Wie man an obigem Schaubild erkennen kann, sind nicht alle Erzeugnisse der Keramik darin aufgeführt. Die Oxidkeramik, die Nichtoxidkeramik, die Verbund- und metallischen Hartwerkstoffe werden unter dem Begriff Sonderkeramik zusammengefasst. Darunter fallen beispielsweise Werkstoffe für Schleifscheiben, Hochofensteine, Schmelztiegel, Sandstrahldüsen, Feuerfestprodukte, Biokeramik usw.

Durch das Herstellen von Erzeugnissen, die aus Metalloxiden oder anderen Verbindungen bestehen und mit keramischen Fertigungsverfahren hergestellt werden, bilden sie die Brücke zwischen der Keramik- und Metallindustrie.

2.2 Begriffsbestimmung und Grundlagen der Herstellung von keramischen Erzeugnissen

Das Wort „Keramik" gibt es erst seit 1768. Es wurde durch den Geologen Passeri in den modernen Sprachgebrauch eingeführt. Das Wort selbst kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Ton". Mit Keramik bezeichnet man alles, was man mit den drei folgenden Merkmalen charakterisieren kann:

- Rohstoff- bzw. Werkstoffgewinnung und Aufbereitung
- Die Gestaltung (Formgebung)
- Der Brennvorgang

Heutzutage beschreibt man Keramik als anorganisches, im pulverförmigen Zustand verformtes und durch einen Sinterungsprozess verfestigtes Erzeugnis. Dadurch umfasst diese Beschreibung die traditionellen keramischen Produkte, wie Tonwaren, Steingut und Porzellan, und auch die neueren Erzeugnisse, die zum gröl3ten Teil aus Metalloxiden, beispielsweise Eisonoxid (Fe2O3) und Aluminiumoxid (Al2O3), bestehen.

Bei allen Keramikprodukten ist der chronologische Ablauf, vom Rohstoff bis zum fertigen Endprodukt, der gleiche.

Die Produkte durchlaufen folgende Schritte:

Als Erstes wird das Material zu Pulver zerkleinert, falls es nicht schon als solches vorliegt. Damit die Masse verwendet werden kann, müssen die einzelnen Bestandteile so homogen, also so gleichmäl3ig, wie nur möglich vermischt sein. Nun werden Wasser oder andere Flussigkeiten als „Plastifikatoren" zur Verformung zugesetzt.

Die Formgebung der Produkte erfolgt dann durch Pressen, Drehen oder Giel3en. Die Technik der Formgebung bestimmt die Art und die Menge der Plastifikation, so benötigt man beim Pressverfahren weniger Wasser als beim Drehen.

Durch das anschliel3ende Brennen verdichtet und verfestigt sich das Material. Die Brenntemperatur ist von den Massebestandteilen und den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts abhängig.

3. Keramische Rohstoffe

3.1 Einteilung der Rohstoffe

Um ein keramisches Erzeugnis herzustellen, benötigt man geeignete Rohstoffe. Die Rohstoffe, die aus der Natur abgebaut werden, sind Gesteine, die aus Mineralien bestehen. Davon sind etwa 3000 bekannt und werden in mehrere Mineralklassen unterteilt, wobei die Klasse der Silikate die wichtigste für die Keramik ist, da zu den Silikaten das Kaolinit (chem. Formel: Al O *2SiO *H O), der Glimmer (chem.Formel: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Talk (chem. Formel: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]) gezählt [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] werden. Die Silikate sind für die Herstellung keramischer Erzeugnisse wichtig, weil sie den gröl3ten Teil der Rohstoffe für die Keramikproduktion ausmachen, da alle Tonmineralien Aluminiumsilikate sind (Fransee o.J. S. 34).

Die Rohstoffe, die für die Produktion keramischer Erzeugnisse verwendet werden, unterteilt man folgendermal3en:

a) Natürliche Rohstoffe (Naturprodukte)
b) Aufbereitete Rohstoffe (Naturprodukte)
c) Produkte der chemischen Industrie
d) Sekundärrohstoffe

(vgl. Fransee o.J. S. 29)

Natürliche Rohstoffe

Natürliche Rohstoffe werden durch Bergbau gewonnen und werden so wie sie vorliegen technisch verarbeitet. Zu diesen Rohstoffen zählen vor allem die Tone und Lehme.

Aufbereitete Rohstoffe

Aufbereitete Rohstoffe werden ebenfalls aus der Natur gewonnen. Allerdings werden sie, wie der Name schon sagt, aufbereitet, beispielsweise durch eine mechanische Behandlung. Zu dieser Gruppe gehören die Kaoline, die aus Rohkaolin gewonnen werden.

Produkte der chemischen Industrie

Produkte der chemischen Industrie nennt man auch Halbfabrikate, da sie durch technologische Verfahren aus Naturprodukten gewonnen werden. Keramische Fritten und Siliziumkarbid zählen zu den so hergestellten Rohstoffen. Die Industrie, die beispielsweise Fritten herstellt zählt nicht zur Keramik.(Fransee o.J. S. 29)

Sekundärrohstoffe

Sekundärrohstoffe sind Stoffe, die als Rücklaufstoffe bei Verfahrensabläufen anfallen. Die Phosphor-Ofenschlacke, die bei Hüttenprozessen anfällt, zählt dazu, genauso wie der Kapselbruch aus der Keramikproduktion selbst. Hüttenprozesse sind Trennverfahren die bei Stoffen in flüssigem Zustand verwendet werden

3.2 Rohstoffarten

3.2.1 Plastische Rohstoffe

Plastische Rohstoffe benötigen Wasser, damit der Rohstoff geformt werden kann, die er nach dem Brennvorgang auch nicht mehr verliert. Das Wasser verdunstet beim Brennen und verursacht eine Schwindung des Produkts, die bis zu 15 Prozent ausmachen kann (siehe Bild 1). Durch den Wasserentzug können allerdings auch Risse im Produkt entstehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Eine Figur vor und nach dem Brennvorgang

3.2.2 Unplastische Rohstoffe

Unplastische Rohstoffe sind Stoffe die eine gewisse Wirkung auf plastische Rohstoffe haben. „Fette" Tone benotigen aufgrund ihrer groflen Wasserbindefahigkeit Magerungsmittel, damit keine Risse entstehen und sich das Produkt beim Brennvorgang nicht verzieht. Wichtige Magerungsmittel sind Quarz; Schamotte und Glühscherben. Flussmittel sind auch eine Art Magerungsmittel, bewirken aber zusätzlich, dass sie das Produkt beim Brennvorgang verdichten und somit die Festigkeit und Härte des Produkts erhöhen. Wichtige Flussmittel sind Feldspat und Kalziumkarbonat.

4. Die Gestaltung (Formgebung)

Die Formgebung ist in erster Linie vom Zustand der Masse abhängig, ist die Masse flüssig, nass oder feucht bis trocken? Daran orientiert sich die Unterteilung in die Gruppen:

A) Das Schlickergiel3en
B) Die bildsame Formgebung
C) Die Pressformgebung

Drei Kriterien entscheiden, welches der drei Formgebungsverfahren das Geeignete ist:

A) Die Formgestaltung des Erzeugnisses
B) Die Verarbeitungseigenschaften der Arbeitsmasse
C) Betriebswirtschaftliche Gesichtspunkte

Im Folgenden sieht man eine Übersicht der keramischen Formgebungsverfahren:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schaubild 2: Übersicht der keramischen Formgebungsverfahren

Bei der Formgebung ist es äul3erst wichtig auf die Schwindung zu achten, da die so genannten Formlinge um den Betrag der Schwindungsarten, es gibt die Trocken- und die Brennschwindung, gröl3er sein müssen. Dabei werden die Trocken- und die Brennschwindung zu einer Gesamtschwindung addiert, die in Prozent angegeben wird.

4.1 Werkstoffe für keramische Formen

Formen für die Gestaltung von Keramikprodukten werden unterteilt in:

- Poröse, wassersaugende Formen
- Nicht wassersaugende, dichte, metallische Formen
- Elastomere, kautschukelastische Formen

4.1.1 Holz

Holzformen werden vor allem zur Herstellung von feuerfesten Keramikprodukten genutzt.

4.1.2 Stahl

Stahlformen nutzt man bei einer Produktion, bei der hohe Stückzahlen erreicht werden müssen. Die Formen sind bei Serienfertigungen aus Stahl- oder Grauguss. Für höchste Ansprüche gibt es Chromnickelstahlformen. Die am häufigsten vorkommenden Stahlformen sind mehrteilig und daher sehr kompliziert. Deshalb erfordern sie einen spezifischen Formenbau. Um eine hohe Oberflächenqualität und eine höhere Verschleil3festigkeit zu erreichen, sind die meisten Oberflächen der Formen vergütet.

4.1.3 Gips

Der wichtigste Formenwerkstoff der Industrie ist nach wie vor der Gips. Seine leichte Verarbeitbarkeit und der geringe Preis spielen dabei eine grol3e Rolle, ebenso seine Porösität.

4.1.4 Kunstharz

Bei der isostatischen Formgebung werden im Allgemeinen Kunstharze wie Naturlatex, synthetischer Kautschuk, Silikongummi usw. zu Herstellung von elastomeren Formenhüllen verwendet.

4.2 Formgebungsverfahren

4.2.1 Das Schlickergießen

Das Schlickergießen ist eine Formgebung, bei der die Masse 40-60% Wasser enthält, das beim Brennvorgang vollständig verschwindet, damit eine enorme Schwindung verursacht und äußerst anfällig für Risse ist. Das Gießen selbst erfolgt in zwei Schritten. Als Erstes wird der Schlicker aus den pulvrigen Ausgangsstoffen und Wasser hergestellt. Im zweiten Schritt wird ein Teil des Wassers durch die Gipsform entzogen und es entsteht eine sogenannte „Feststoffanreicherung" an der Grenze zwischen Form und Schlicker, das heißt, am Rande besitzt die Masse schon eine gewisse Festigkeit, aber innerhalb der Masse ist noch sehr viel Wasser, das beim Brennen verschwindet.

Beim Hohlguss, eines der Gießverfahren beim Schlickergießen, wird die Form mit Schlicker gefüllt und nach einer bestimmten Standzeit wird der restliche Schlicker durch Kippen der Form ausgegossen. Dabei bestimmt man durch die Standzeit die Wanddicke des Produkts. Dieses Gießverfahren wird bevorzugt bei Erzeugnissen verwendet die eine geringe Wanddicke oder Scherbenstärke erhalten sollen, sowie bei sehr komplizierten Hohlkörpern.

Der Vollguss dagegen ist ein Verfahren des Schlickergießens bei der sich der komplett eingefüllte Schlicker durch Wasserentzug verdichtet. Dabei muss, aufgrund der enormen Schwindung durch den Wasserentzug, etwas Schlicker nachgegossen werden. Der Vollguss wird ebenfalls für sehr komplizierte Hohlkörper verwendet. Speziell in der Sanitärkeramik wird eine Kombination von beiden Verfahren an ein und demselben Werkstück angewandt (Bsp. Klosetts, Waschtische).

4.2.2 Die bildsame Formgebung

Das älteste Formgebungsverfahren beruht auf einfacher Formgebung durch plastisches Verformen der Masse bei einem Wassergehalt zwischen 15% und 25%. Es gibt drei technologische Verfahren der bildsamen Formgebung.

Das erste Verfahren ist die Strangformung, bei der die Masse durch ein Rohr gepresst wird und am Rohrende, entsprechend der Austrittsöffnung einen geformten Strang ergibt. Einige Erzeugnisse erhalten durch das Strangpressverfahren ihr endgültige Form (Bsp. Mauerziegel, Steinzeugrohre). Die Produktion von Geschirrporzellan und auch die Herstellung von Erzeugnissen für die elektrokeramische Industrie erfolgt ebenfalls durch das Strangpressverfahren, wenn auch nur als Teil der endgültigen Form des Endprodukts.

Die Drehformung ist die Formung der Masse in rotierendem Zustand in ihre endgültige Gestalt. Dabei ist es nur möglich rotationssymmetrische Körper herzustellen. Ein Verfahren ist das Freiformen durch freihändiges Formen auf der rotierenden Töpferscheibe ohne Verwendung einer Form. Beim Maschinendrehen werden Hilfsmittel wie Schablonen oder Formen verwendet.

Bei der Quetschformung wird die Masse durch eine Druckbelastung verdichtet und verformt. Meist geht der Quetschformung eine Strangformung voraus und bildet so eine Nach- bzw. Endformung der Masse.

Das Trockenpressen erfolgt, wie die Quetschformung, durch eine Druckbelastung der Masse, allerdings mit einem Feuchtigkeitsgehalt unter 8% (Quetschformung 15-25%). Der Füllraum zwischen Ober- und Unterstempel muss bei diesem Verfahren doppelt so hoch sein, da durch das Pressen die Masse um 50% komprimiert wird.

4.2.3 Die Pressformgebung

Die isostatische Pressformgebung beruht auf der von Pascal (franz. Mathematiker und Physiker, 1623-1662) definierten Gesetzmäl3igkeit, dass sich ein auf einer ruhenden Flüssigkeit aufbauender Druck diese gleichmäl3ig ausbreitet. Das heil3t die Pressung erfolgt durch gleichmäl3igen und allseitigen Druck auf die zu formende Masse. Dieses Verfahren findet man überwiegend in der technischen Keramik.

4.3 Veredelung

Die Veredelung dient dazu, den Gebrauchswert der keramischen Erzeugnisse zu erhöhen. Dazu werden auf die Erzeugnisse Glasuren, Farbdekore, Engoben oder Metallschichten aufgetragen und gebrannt (Glasur- und Dekorbrand).

4.3.1 Engobieren

Beim Engobieren wird eine feinkörnige und farbige Oberflächenschicht auf die Erzeugnisse aufgetragen, wobei die Oberflächenschicht ebenfalls aus einer keramischen Masse besteht. Da Engobeschichten nicht richtig dicht brennen, werden die Erzeugnisse wie Ofenkacheln oder Dachziegel zusätzlich glasiert.

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