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Metallpulverspritzguss

Metallpulverspritzguss vereint die Vorteile der Formgebung vom Kunststoffspritzguss mit den Eigenschaften von Metall

| Redakteur: Dorothee Quitter

Entwicklern und Konstrukteuren eröffnen sich mit der Metal Injection Moulding - Technologie (MIM) neue Designmöglichkeiten: So können mit dieser Technik kleine formkomplexe Präzisionsteile kostengünstig in Serie gefertigt werden, die mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht oder nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Außerdem ist es möglich, auf Montage- und Fügeschritte zu verzichten und schwer bearbeitbare sowie teure Materialien wie Edelstahl und Titan effizient einzusetzen.

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Metallpulverspritzguss in der Chirurgie im Einsatz: Der gewählte Werkstoff und eine entsprechende Wärmebehandlung garantieren dem Wundspreizer ein hohes Maß an Festigkeit und Härte in einem eng definierten Toleranzbereich. Bei den Innen- und Außenverzahnungen kommen die Vorteile der MIM-Technik voll zum Tragen. Bilder: OBE
Metallpulverspritzguss in der Chirurgie im Einsatz: Der gewählte Werkstoff und eine entsprechende Wärmebehandlung garantieren dem Wundspreizer ein hohes Maß an Festigkeit und Härte in einem eng definierten Toleranzbereich. Bei den Innen- und Außenverzahnungen kommen die Vorteile der MIM-Technik voll zum Tragen. Bilder: OBE
( Archiv: Vogel Business Media )

Steht der Konstrukteur vor der Aufgabe ein Bauteil zu entwickeln, welches in großer Stückzahl benötigt wird, kann er auf mehrere Fertigungsmöglichkeiten zurückgreifen. Sind jedoch enge Toleranzen gefordert und will auf Nacharbeit verzichtet werden, scheidet der Feinguss aus. Ist dagegen die Geometrie sehr kompliziert, das Material schwer bearbeitbar und teuer, kommt eine zerspanende Bearbeitung nicht in Frage. Hier ist das MIM-Verfahren eine wirtschaftliche Alternative.

Aufgrund des verfahrensspezifisch hohen Werkzeugaufwandes erlangt das MIM-Verfahren seine Wirtschaftlichkeit erst bei Jahresstückzahlen ab ca. 15.000 Teilen. MIM ist am effektivsten, wenn der Aufwand an spanender Fertigung extrem hoch wäre, Fügeoperationen eingespart werden können und konventionellen Verfahren legierungstechnische Grenzen gesetzt sind. In Spezialfällen können auch kleinere Stückzahlen ökonomisch sinnvoll mit diesem Verfahren gefertigt werden.

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Die MIM-Technologie findet vor allem Anwendung bei der Herstellung kleinerer und mittlerer Bauteile (Gewicht 0,1 g bis ca. 150 g) mit sehr komplexer Geometrie. Durch die hohe Gestaltungsfreiheit können auch mehrere Bauteile innerhalb einer Baugruppe vereint werden. Das ist bei konventionellen spanabhebenden Fertigungsverfahren nicht möglich: hier müssen mehrere Komponenten in separaten nacheinander folgenden Produktionsschritten gefertigt und dann montiert werden. Dies entfällt beim MIM-Verfahren und macht es so wirtschaftlich.

Die Möglichkeiten des Metallpulverspritzgusses

Auch Hinterschneidungen, Querbohrungen, Innen- und Außengewinde sowie Verzahnungen sind beim Spritzgießen leicht herstellbar. Die Nachbearbeitungsvorgänge werden durch die endkonturnahe Fertigung auf ein Minimum reduziert. In Sachen Festigkeit stehen die MIM-Teile konventionell gefertigten Teilen in nichts nach. Bei einer Enddichte von größer 96% sind die Eigenschaften mit denen von konventionellen Stählen vergleichbar. Wem das nicht reicht, kann durch einen Nachfolgeprozess, dem heißisostatischen Pressen, eine Dichtigkeit von 100% erreichen.

Mit dem Metallpulverspritzguss sind Wandstärken je nach Bauteilgeometrie ab 0,2-0,3 mm realisierbar, sowie Bohrungsdurchmesser von nur wenigen Zehntel Millimetern möglich. Im MIM-Verfahren lassen sich Oberflächenrauhigkeiten von Rz 8-12 erreichen. Ebenso werden reliefartige Strukturen wie Gravuren und Firmenlogos detailgetreu wiedergegeben.

Um die Vorzüge von MIM komplett zu nutzen, ist es wichtig, dass bereits bei der Entwicklung der Bauteile dreidimensional gedacht wird. Auch der enge Kontakt zwischen Konstrukteur und Hersteller ist von Vorteil. So kann z.B. durch Optimierung der Bauteile ein niedrigeres Teilegewicht bei gleicher Funktionalität erreicht werden. Diese Gewichtsreduktion senkt gleichzeitig die Stückkosten durch einen niedrigeren Materialeinsatz.

Der MIM-Prozess

Feines Metallpulver, üblicherweise in einer Korngröße von ca. 20 μm, wird mit einem organischen Bindemittel, einer Kombination von Wachsen und Kunststoffen in einem genau definierten Volumenanteil gemischt. Das Resultat dieses Mischvorgangs führt zu einem spritzfähigen Granulat, dem Feedstock.

In Zusammenarbeit mit dem Kunden werden die für das Spritzwerkzeug notwendigen Daten wie Anspritzpunkt, Formtrennkante, geforderte Oberfläche etc. festgelegt und die voraussichtlichen Produktionsmengen konzipiert und ausgelegt.

Die eigentliche Formgebung, das Spritzgießen, findet auf konventionellen Spritzgießmaschinen, wie sie von der Kunststoffverarbeitung her bekannt sind, statt. Die Grünlinge sind infolge des hohen Volumenanteils an Kunststoff und in Abhängigkeit vom verwendeten Binder und Metallpulver um ca. 15-20% größer als das Sinterfertigteil. Sie weisen alle typischen geometrischen Merkmale des fertigen Bauteils auf.

In einem zweiten Arbeitsschritt werden die Grünlinge entbindert, d.h. der organische Binder wird dem Bauteil wieder entzogen. Zurück bleibt das metallische Bauteil (Bräunling),

Das Sintern der Bauteile erfolgt in Batchöfen und/oder in kontinuierlichen Anlagen, die in der Regel unter Schutzgas arbeiten. Im Sinterofen erhalten die Teile bei Temperaturen zwischen 1200° und 1400° ihre endgültige Größe und erreichen aufgrund der hohen Sinteraktivität der feinen Pulver Dichten von über 96%. Hervorragende mechanische Eigenschaften sind die Folge.

Detailliertes Know-how in der Verarbeitung von Titan

Unter mimplus bietet OBE das komplette Angebotsspektrum von der Entwicklung der Bauteile über den Formenbau bis hin zu nachgelagerten Zusatzleistungen wie z.B. Oberflächenbeschichtungen oder Laserpersonalisierungen an. Bei der Werkzeugausführung unterstützt OBE beispielsweise mit modernsten Fertigungsverfahren, CAD-Technik und Prototypenbau.

Mit über 10 Jahren Erfahrung in der MIM-Technologie besitzt OBE detailliertes Know-how in der Verarbeitung der unterschiedlichsten Materialen, insbesondere bei schwer zu bearbeitenden Materialien wie Edelstahl und Titan. Titan besitzt herausragende Eigenschaften: es ist äußerst korrosionsbeständig, temperaturbeständig und zeichnet sich durch eine hohe spezifische Festigkeit bei einem geringen Gewicht sowie einer guten Körperverträglichkeit aus. Dadurch gewinnt Titan zunehmend Bedeutung bei der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik. Weitere Einsatzgebiete für die MIM-Präzisionsbauteile sind neben der Optik auch Telekommunikation, Automobilindustrie, Mess- und Regeltechnik sowie Uhren- und Schmuckindustrie.

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