Innovative Bauteile zur Lösung technischer Herausforderungen verlangen oft ein komplexes Design und herausragende Materialeigenschaften, deshalb

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1 MIM - Technologie

2 MIM und Ihre Ideen Innovative Bauteile zur Lösung technischer Herausforderungen verlangen oft ein komplexes Design und herausragende Materialeigenschaften, deshalb scheitert ihre Umsetzung häufig an zu hohen Herstellungskosten. Mit der Gestaltungsfreiheit der MIM Technologie (Metal Injection Moulding, bzw. Metallpulverspritzguss) verfügen Konstrukteure und Designer nun über ein universelles Werkzeug ihrer Kreativität freien Lauf zu lassen und gleichzeitig auch enggesteckte Kostenziele einzuhalten. Applikationen, die bislang in aufwändigeren konventionellen Prozessen gefertigt werden, können von den Kostenvorteilen der MIM-Technologie profitieren. 2

3 werden Wirklichkeit Bei MIM-Bauteilen vereinigen sich die hervorragenden Eigenschaften metallischer Werkstoffe mit den komplexen Gestaltungsmöglichkeiten der Kunststofftechnologie. Die Formgebung durch das Spritzgießen von Metallpulvern (MIM) eröffnet ein Höchstmaß an Freiheit hinsichtlich Geometrie und Werkstoff, das weit über den Möglichkeiten der spanenden und schmelzmetallurgischen Gestaltung liegt. Hinterschneidungen, Bohrungen und Sacklöcher können in beliebigen Richtungen eingebracht werden und auch Wandstärken von 1 mm und weniger sowie Bohrungsdurchmesser von nur wenigen Zehntel Millimetern sind realisierbar. Reliefartige Strukturen und Gravuren, wie z.b. Firmenlogos oder Artikelnummern können detailgetreu wiedergegeben werden. Selbst die Anwendung teurer, hochfester Legierungen, korrosionsbeständiger oder anderer hochwertiger Edelstähle wird somit möglich, da keine Kosten durch nachgelagerte Zerspanung anfallen. An MIM-Bauteilen werden hohe Oberflächengüten (in der Regel Rauigkeiten Ra<1µm) ohne Nacharbeit erreicht. Das Gefüge der gesinterten Teile ermöglicht galvanische und elektrolytische Oberflächenveredelungen (Vernickeln, Elektropolieren etc.) ohne Vorbehandlungen. Beim Einsatzhärten werden Einsatzhärteverläufe erreicht, deren Werte mit denen von vergleichbar sind. Im Allgemeinen sind MIM Werkstoffe auch schweißbar. 3

4 MIM Profitieren Sie von den Vorteilen Um die Vorzüge von MIM optimal zu nutzen, ist es sinnvoll bereits in der Entwicklungsphase in MIM- Dimensionen zu konstruieren. Für den Designer eröffnen sich gänzlich neue Möglichkeiten in der Auslegung und Konstruktion. Die Großserienfertigung hochkomplexer Bauteile wird durch automatisierte MIM-Prozesse wirtschaftlich möglich und entspricht hinsichtlich den Prozess-Sicherheiten sogar den Anforderungen der Automobil-Industrie. Geometrien können auch für hochfeste metallische Werkstoffe und Edelstähle konzipiert werden. Grenzwertig beanspruchte Anwendungen aus Kunststoff, Aluminium oder Zinkdruckguss können nahezu ohne Einschränkung durch hochfeste MIM-Teile ersetzt werden. Kostenintensive Füge-, bzw. Montageprozesse können überflüssig werden, da mittels MIM auch die komplexen Geometrien von Zusammenbauteilen herstellbar sind und direkt in einem Fertigteil realisiert werden. Gewinde können beim Urformen (Spritzgießen) hergestellt werden. Durch Optimierung des Bauteilvolumens ist es möglich Material und somit Kosten einzusparen. Auf Grund der erreichten Gewichtsreduzierung verringern sich zusätzlich Trägheitsmomente bei dynamisch beanspruchten Anwendungen. Kleinste Geometrien können detailgetreu in MIM abgebildet werden. Auch neuartige Materiallegierungen, die auf die speziellen Kundenanforderungen angepasst werden, können wirtschaftlich verarbeitet werden. Die Metal Injection Moulding - Technologie eröffnet dem Konstrukteur eine annähernd unbegrenzte Gestaltungsfreiheit zu sehen sind hier nur einige Beispiele für die mögliche Formenvielfalt. 4

5 MIM Die Stärken im Überblick 3-dimensionale Komplexität: Der Formgebungsprozess des MIM-Verfahrens ist sehr eng mit dem traditionellen Kunststoff-Spritzgießen verwandt und macht die Gestaltung komplexer Geometrien möglich. Kombinationen aus Bohrungen, Sacklöchern, Schlitzen, Nuten, Innen- und Außengewinden, Aussparungen, Hinterschneidungen, Oberflächenstrukturen und Hohlräume stellen für MIM kein Problem dar. Vergleichbar anspruchsvolle Designelemente können mit alternativen spanlosen Formgebungsprozessen nicht erreicht werden. Gewichtsreduktion: Durch die Optimierung der Bauteile wird ein niedrigeres Teilegewicht bei gleicher Funktionalität erreicht. Die Gewichtsreduktion hat damit natürlich einen positiven Einfluss auf die Stückkosten des Fertigteils. Hohe Produktivität: Gerade bei der Produktion großer Stückzahlen kann das MIM- Verfahren seine Kostenvorteile innerhalb der Fertigung voll ausspielen. Je nach Anforderung kann selbst bei sehr komplexen Bauteilen auf kostenintensive Nachbearbeitung verzichtet werden. Daher ist dieses Verfahren besonders für die Großserienproduktion geeignet. 5

6 MIM Der technologische Fertigungsprozess 1.) Die Feedstockaufbereitung Zur Herstellung des Feedstocks werden zunächst Metallpulver entsprechend der gewünschten Legierung miteinander vermengt. Anschließend werden thermoplastische Kunststoffe und Additive beigemischt und mit dem Pulvermix unter Wärmezufuhr zu einer zähflüssigen Masse verknetet. Diese wird anschließend abgekühlt und zu einem körnigen Granulat (Feedstock) verarbeitet. Der Metallpulverwerkstoff ist hierbei ausschlaggebend für die erreichbaren mechanischen und chemischen Eigenschaften des späteren Fertigteils. GKN verfügt über exzellentes Know- How zur Pulverentwicklung, sowie zur Überwachung der erreichten Feedstockeigenschaften. 2.) Das Spritzgießen Für das MIM-Verfahren werden speziell modifizierte Thermoplast-Spritzgießmaschinen eingesetzt, wie sie ähnlich auch beim herkömmlichen Kunststoff-Spritzguss zur Anwendung kommen. Hierbei wird das Ausgangsmaterial (Feedstock) nach der Dosierung in der Spritzeinheit aufgeschmolzen und vor der Förderschnecke verdichtet. Durch das Vorfahren der Schnecke wird die fließfähige Masse unter hohem Druck mittels eines Verteilersystems in die einzelnen Kavitäten des Werkzeugs gepresst. Anschließend wird die Masse in den Kavitäten durch Abkühlung in ihrem Design eingefroren ( Grünling ). Nach dem Abkühlen auf die Entformungstemperatur wird das Werkzeug in der Trennebene geöffnet. Das erstarrte Teil, der Grünling, wird durch Auswerfer aus der Form gedrückt und kann durch angepasste Handlingsysteme entnommen werden. 6

7 MIM Metal Injection Molding Grünlinge charakterisieren sich durch: einen Anteil von ca. 10% Binder und 90% Metallpulver eine Festigkeit ähnlich thermoplastischer Kunststoffteile homogene Pulververteilung ohne Ausrichtung der Teilchen 3.) Das Entbindern und Sintern In der anschließenden Entbinderung wird der als Binder verwendete Kunststoff aus dem Grünling herausgelöst. Bei GKN Sinter Metals wird dieser erste Prozessschritt von einer kontinuierlich arbeitenden Sinteranlage ausgeführt. In der Entbinderungsmuffel wird ein eingespeister Katalysator unter Temperatur verdampft und bildet so die Reaktionsatmosphäre. In dieser Reaktionsatmosphäre depolymerisiert der Kunststoff vollständig. Während der Reaktion entweicht der Binder dann fortlaufend als Gas aus dem Formteil und hinterlässt eine offenporige Struktur. Dieses poröse Gebilde wird nun als Bräunling bezeichnet. Ohne Unterbrechung des Prozesses gelangt der Bräunling anschließend in die Sintermuffel. Dort werden die Temperaturen unter exakten Bedingungen bis knapp unter den Schmelzpunkt erhöht, bis die Metallpartikel versintern. Zum Einsatz kommen sowohl inerte als auch reduzierende Ofen- Atmosphären. Die Bedingungen in den computergesteuerten Anlagen werden präzise überwacht. Nur dies erlaubt die Beherrschung des 16 bis 18-prozentigen Schrumpfens der Bauteile in die von den Kunden geforderten Spezifikationsmaße. 7

8 MIM Weiterverarbeitung und Veredelung MIM-Bauteile können auf vielfältige Weise nachbearbeitet und veredelt werden. Unter anderem können folgende Verfahren angewendet werden: Wärmebehandlung Härten, Anlassen, Vergüten, Randschichthärten, Einsatzhärten Physikalisch-chemische Oberflächenbehandlung Nitrieren, Carbonitrieren, Nitrocarburieren, Borieren, Silicieren Chemische Oberflächenbehandlung Beizen, Chemisches Entgraten, Brünieren, Ätzen Mechanische Oberflächenbearbeitung Gravieren, Gleitschleifen, Schleifen, Polieren, Entgraten, Strahlen Aufbringen nichtmetallischer, anorganischer Schichten Chromatieren, Phosphatieren, Eloxieren, ieren Aufbringen metallischer Schichten Galvanisieren, Chemisches Metallieren, Schmelztauchbeschichtung, Metallspritzen Chromieren Aufbringen organischer Schichten: Bedrucken, Bekleben, Lackieren Aufbringen von Verschleißschutzschichten CVC-Beschichtung, PVD-Beschichtung 8

9 MIM - Toleranzen Nennmaß X [mm] Toleranzen MIM* [mm] Standardtoleranz [mm] Bis 3 +/- 0,05 3 <x> 6 +/- 0,06 6 <x> 15 +/- 0, <x> 30 +/- 0,15 30 <x> 60 +/- 0,25 Toleranzverhalten gesinterter MIM-Bauteile Grundsätzlich sind die in der nebenstehenden Tabelle aufgezeigten Standardtoleranzen nach dem Sintern unter Berücksichtigung des 16 bis 18 prozentigen Schrumpfens der Bauteile erreichbar. Die Angaben dienen lediglich als Richtwerte, da die realen Toleranzen von der Geometrie und dem eingesetzten Material abhängig sind und somit leicht variieren können. Sind noch engere Toleranzen gefordert, kann dies unter Umständen durch spezielle Gestaltung der MIM-Bauteile erreicht werden. Darüber hinaus bietet GKN auch eine Reihe spanloser und spanender Feinbearbeitungen zur Realisierung aller höchster Anforderungen an. (* Toleranzen dienen nur als Richtwert) MIM Das Verfahren im Vergleich mit konkurrierenden Technologien Schöpft man die Stärken und Vorteile der MIM-Technologie bereits in der Konstruktionsphase bewusst aus, können erhebliche Vorteile gegenüber fast allen konventionellen Technologien erreicht werden. Diese schlagen sich in der Regel in verbesserten Funktionen und enormen Kostenersparnissen nieder. MIM schafft die Vorraussetzungen ganze Baugruppen zu vereinfachen, indem die Anzahl der Einzelteile reduziert wird. Hierdurch werden Fehlerquellen in der Fertigung reduziert, Prozesssicherheiten verbessert und somit höhere Qualitäten gewährleistet. Fazit: Das MIM-Verfahren erweist sich dann als wirtschaftlich, wenn komplex geformte Teile mit engen Toleranzen, anspruchsvollen mechanischen Eigenschaften und hohen Oberflächengüten verlangt werden! 9

10 MIM - Konstruktionsgrundsätze für das Design Um die Vorteile der MIM-Technologie voll nutzen zu können, sollten die Konstruktionsrichtlinien schon in der frühen Konstruktionssphase beachtet werden. In den folgenden Abbildungen haben wir die wichtigsten Gestaltungsgrundsätze für Sie zusammengefasst für optimales Konstruieren von Anfang an! Anwendungsbeispiel: Halteplatte Gerade Auflagefläche Während des Entbinderungs- und Sinterprozesses im Ofen schrumpft das MIM-Bauteil um knapp 16 bis 18 Prozent und benötigt dafür eine gute Gleitfläche. Idealerweise sollte bei der Konstruktion eine ebene Auflagefläche eingeplant werden, um das Bauteil ausreichend zu stabilisieren. Das Risiko eines Verzugs und dadurch bedingte nachträgliche Richtkosten kann somit vermieden werden. Gewinde Mittels MIM können während der Konstruktion geplante Innengewinde urgeformt werden, sofern man sie verfahrensgerecht auslegt und durch sogenannte Ausspindelkerne realisieren kann. 10

11 Anwendungsbeispiel: Wellenführung Radien Der Einsatz von Radien durch z.b. abgerundete Ecken wirkt sich in mehrfacher Sicht positiv auf das Gesamtbild des MIM- Bauteils aus. Es verbessern sich nicht nur Handling und Ästhetik der fertigen Sinterteile, sondern auch Materialkosten können reduziert werden. Abgerundete Ecken verbessern zudem auch die Festigkeit, weil Belastungen sich optimal verteilen können. Gewichtsreduzierung Gewichtsreduzierungen können am einfachsten durch das Schaffen von Freiräumen im MIM-Teil realisiert werden. Auf Grund des reduzierten Materialkostenanteils verringern sie außerdem den Teilepreis. Zusätzlich können auch die dynamischen Eigenschaften des Bauteils verbessert werden. Anwendungsbeispiel: Verbindungsblock Gleichmäßige Wandstärken Die Wandstärken sollen über das gesamte Bauteil möglichst gleichmäßig ausgeprägt sein, während starke Wandsprünge zu vermeiden sind. Eine gleichmäßige Füllung des Werkzeugs beim Spritzgießen wird dadurch gewährleistet. Verrippungen und Stege Rippen und Stege dienen der Versteifung und verbessern in erster Linie die Festigkeit des MIM-Bauteils. Der Einsatz beider Elemente hilft zudem die Maßgenauigkeit zu erhöhen. 11

12 Über GKN Sinter Metals GKN Sinter Metals eine hundertprozentige Tochtergesellschaft des globalen britischen Industriekonzerns GKN plc. ist der größte Hersteller von Präzisions-Sinterprodukten weltweit. Das Unternehmen legt größten Wert auf herausragende Liefertreue, Qualität und ganzheitliche Lösungsansätze und bietet umfangreiche technische Erfahrungen in Konstruktion, Prüfverfahren und unterschiedlichen Verarbeitungstechniken. GKN Sinter Metals stellt mehr als verschiedene komplex geformte, hochfeste Bauteile her für die Märkte der Automobilindustrie, Nutzfahrzeuge, Haushaltsgeräte, Gartengeräte, Büromaschinen, Elektrowerkzeuge, Freizeit-Fahrzeuge und verarbeitender Industrien. Das globale Unternehmen ist in mehr als 13 Ländern auf fünf Kontinenten vertreten. GKN Sinter Metals ist mit mehr als 30 Standorten weltweit und ca Beschäftigten immer in der Nähe des Kunden. Weitere Informationen über die vielseitigen technischen Lösungen von GKN finden Sie auf unserer Webseite Production Plants Argentina GKN Sinter Metals de Argentina S.A. Ruta Nac. 5 Km. 159,5 (B6622GKA) Chivilcoy Bs. As. Argentina Phone: * infoargentina@gknsintermetals.com Brazil GKN Sinter Metals Ltda. Av. Emancipacão, Santa Esmeralada CEP Hortolandia SP Brazil Phone: * infobrazil@gknsintermetals.com Canada GKN Sinter Metals St. Thomas Ltd. 7 Michigan Boulevard St. Thomas, Ontario Canada N5P 1H1 Phone: * infona@gknsintermetals.com China GKN Sinter Metals Danyang Number 7 Mechanical Industry Park Danyang Development Zone Danyang, China Phone: * infochina@gknsintermetals.com Germany GKN Sinter Metals Engineering GmbH Krebsöge Radevormwald Germany Phone : * infogermany@gknsintermetals.com GKN Sinter Metals Filters GmbH Dahlienstraße 43 P.O.Box Radevormwald Germany Phone: * feedback@gkn-filters.com India GKN Sinter Metals Ltd. 146, Mumbai Pune Road Pimpri, Pune Maharashtra, India Phone: * , 6262, infoindia@gknsintermetals.com Italy GKN Sinter Metals SpA Fabrikstraße Bruneck (BZ) Italy Phone. * infoitaly@gknsintermetals.com North America GKN Sinter Metals 3300 University Drive Auburn Hills, Michigan USA Phone: * infona@gknsintermetals.com South Africa GKN Sinter Metals Cape Town P.O.Box 156 Sacks Circle Bellville, 7530 South Africa Phone: * infoafrica@gknsintermetals.com GKN Sinter Metals Sales Offices Worldwide China France Japan Korea Spain Sweden infochina@gknsintermetals.com infofrance@gknsintermetals.com infojapan@gknsintermetals.com infokorea@gknsintermetals.com infospain@gknsintermetals.com infosweden@gknsintermetals.com United Kingdom infouk@gknsintermetals.com Copyright by GKN Sinter Metals - Rev. 2.0