Präzise, komplexe Metallbauteile, die in großer. Gestaltungsfreiheit. (fast) ohne Grenzen

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1 18 l S M I K R O S P R I T Z G I E S S E N Bild 1. Komplexes MIM-Bauteil für die Medizintechnik Gestaltungsfreiheit (fast) ohne Grenzen Mittels Metallpulverspritzgießen lassen sich KOMPLEXE Bauteile in Großserien wirtschaftlich und detailgenau erzeugen. Das Verfahren eignet sich für schwer zerspanbare oder teure Werkstoffe und ist mit Prozessen wie der Laserbearbeitung oder der Oberflächenveredelung kombinierbar. JOHANNES MAURATH Präzise, komplexe Metallbauteile, die in großer Stückzahl wirtschaftlich produziert werden können das bietet das Metallpulverspritz - gießen (Metal Injection Moulding, MIM). Dieses ressourcenschonende Verfahren zeigt insbesondere dann Vorteile, wenn eine komplexe Bauteilgeometrie und ein schwer zu bearbeitender Werkstoff aufein - andertreffen. Neben dem Vorzug, bereits werkzeugfallend Bauteile detailreich herstellen zu können, lassen sich MIM-Bauteile auch mit anderen Prozessen sehr gut bearbeiten oder veredeln (Bild 1). So kombiniert das Unternehmen OBE Ohnmacht & Baumgärtner aus Ispringen in seinem MIMplus - Verfahren den Metallpulverspritzguss zum einen mit spanenden Verarbeitungsverfahren am Grünling und Sinterteil, zum anderen mit der Laserbearbeitung sowie mit verschiedenen Oberflächenveredelungsprozessen. Gestaltungsfreiheit im Pulverspritzguss Der Metallpulverspritzguss als ein wirtschaftliches Produktionsverfahren für Großserienprodukte eignet sich besonders zur Herstellung kleinerer bis mittelgroßer Bauteile mit einem durchschnittlichen Gewicht von 0,1 bis circa 150 g. Dabei sind die Anwendungen von MIM-Bauteilen sehr vielseitig und reichen vom Automobilsektor über die Medizintechnik, den Maschinenbau, die Feinmechanik, die Elektronik und den Schmuckbereich bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Die Idee, die sehr große Gestaltungsfreiheit des Kunststoffspritzgießens auch für keramische und metallische Werkstoffe zu nutzen, welche sich häufig nur schwierig und aufwendig nachbearbeiten lassen, war die Geburtsstunde des Pulverspritzgießens (Bild 2). Während Letzteres die Herstellung kera - mischer und metallischer Bauteile umfasst, soll im > KONTAKT HERSTELLER OBE Ohnmacht & Baumgärtner GmbH & Co. KG Ispringen Tel info@obe.de Bild: OBE MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 05/18

2 Bild (2): Arburg (links), OBE (rechts) MIKROSPRITZGIESSEN Folgenden nur auf den Metallpulverspritzguss eingegangen werden. Dieser besteht aus vier Fertigungsschritten, um von einem feinen Metallpulver über einen spritzgießfähigen Feedstock bis zum dichten, vollständig metallischen Sinterteil zu gelangen (Bild 3). Feedstockherstellung: Mit Hilfe von geeigneten Knetern und Mischern wird ein feines metallisches Pulver mit schmelzflüssigen, organischen Binderkomponenten vermischt und die Masse anschließend granuliert. Daraufhin kann dieses Granulat, der sogenannte Feedstock, in herkömmlichen Spritzgussmaschinen verarbeitet werden. Spritzgießen: Analog zum Kunststoffspritzguss wird der MIM-Feedstock spritzgegossen. Dabei wird das Material aufgeschmolzen und unter hohem Druck in eine temperierte Kavität eingespritzt. Der so hergestellte Grünling wird anschließend manuell oder vollständig automatisiert auf Bauteilträger chargiert und weiterverarbeitet. Entbindern: Die organischen Binderbestandteile des Bauteils werden in geeigneten Entbinderungsöfen in einem zweistufigen Prozess vollständig entfernt. In einem ersten Vorentbinderungsschritt entfernt entweder eine Lösemittelextraktion, eine chemische Reaktion oder eine thermische Zersetzung zunächst den Großteil des Binders. Anschließend erfolgt am vorentbinderten Bauteil, dem sogenannten Bräunling, noch eine Restentbinderung. Hierbei werden alle verbliebenen organischen Bestandteile thermisch zersetzt und durch diffusionskontrollierte Prozesse aus dem Bauteil abgeführt. Sintern: Das anschließende Sintern überführt die filigranen, porösen Bräunlinge in dichte metallische Bauteile. Temperaturen von 60 bis 80 Prozent der Schmelztemperatur der jeweiligen Legierung führen zu einer Verdichtung der Formkörper, welche durch die freie Oberflächenenergie des porösen Bräunlings getrieben wird. Das Sintern ist diffusionskontrolliert, wobei häufig auch Flüssigphasen auftreten, die den Sintervorgang und somit die Verdichtung des Bauteils l SPECIAL l 19 Bild 2. Links: Spritzgusswerkzeug; rechts: BatchSinterofen für Spezialwerkstoffe 왘 Halle A7 Stand 7101 Spritzgiessautomaten Die BOY XXS überzeugt mit bewährter Schneckenplastifizierung (Ø 8 mm bis 18 mm) nach dem FiFo Prinzip. Benchtop XXS Baby s e t s e u e n Unser XXS Zuverlässigkeit im industriellen Dauerbetrieb info@dr-boy.de MIKROPRODUKTION 05/18 Vorteilhaft sind die optimierten Aufspannplatten für Mikroformen. Eine um 25 mm verschiebbare Spritzeinheit gewährleistet eine dezentrale Anspritzung. Die BOY XXS bietet vielfältige Plastifiziereinheiten für die Verarbeitung von: Thermoplasten (von Ø 8 mm bis Ø 18 mm) Elastomeren (Ø 16 mm) Silikonen / LSR

3 20 l S M I K R O S P R I T Z G I E S S E N Bild 3. Schematischer Ablauf der vier Prozessschritte beim Metallpulverspritzguss: Herstellen des Feedstocks, Spritzgießen, Entbindern und Sintern [1] Bild 4. Stecker aus der Elektronik, der ursprünglich aus mehreren Komponenten bestand. Mit dem Metallpulverspritzguss kann er als ein zusammenhängendes Bauteil gefertigt werden fördern. In diesem Schritt schrumpft das Bauteil um bis zu 20 Prozent im Vergleich zum Grünling. Die so im MIM-Verfahren hergestellten Sinterteile weisen in der Regel eine Dichte von mehr als 96 Prozent auf [2]. Durch die große Gestaltungsfreiheit bietet der Metallpulverspritzguss auch preisliche Vorteile. So lassen sich beispielsweise Bauteile, die fertigungs - bedingt bei herkömmlichen Verfahren aus mehreren Teilen bestehen, mit dem MIM-Verfahren in nur einem Schuss herstellen. Bild 4 zeigt ein Bauteil, das sehr preiswert gefertigt werden kann, da kostenintensive Montage- und Schweißarbeitsschritte entfallen. Komplexe Bauteile in hohen Stückzahlen Durch die notwendigen Spritzgusswerkzeuge ent - stehen beim Metallpulverspritzguss hohe Werkzeugkosten, die sich nur durch große Stückzahlen über den Teilepreis amortisieren. Das MIM-Verfahren wird daher in der Regel erst ab Jahrsstückzahlen von mehr als 5000 attraktiv. Bild 5 stellt den Metallpulverspritzguss gegenüber den konkurrierenden Fertigungsverfahren wie spanender Fertigung, Presssintern und Feinguss dar. Abheben kann sich der Metallpulverspritzguss vom ebenfalls auf einem Sinterprozess basierenden Presssintern sowohl durch eine größere Bauteilkomplexität als auch durch bessere Materialeigenschaften im Sinterteil. So weisen MIM-Bauteile eine über den Bauteilquerschnitt homogene Dichte auf, während die durch Presssintern hergestellten Bau - teile einen Dichtegradienten von der Bauteilmitte zum -äußeren besitzen. Eine gleichmäßige Bauteildichte wirkt sich nicht nur vorteilhaft auf mechanische Eigenschaften aus, sondern beispielsweise auch auf die Gasdichtigkeit. MIM-Bauteile verfügen über nahezu identische mechanische Werte wie Bauteile aus Vollmaterial. Materialvielfalt von Titan bis Hartmetall Der Metallpulverspritzguss empfiehlt sich für Werkstoffe, die sich mit anderen Verfahren nur schwierig verarbeiten lassen. So können auch schwer zu zerspanende Materialien, beispielsweise Titanlegierungen, oder sehr harte, spröde Materialien wie Werkzeugstähle oder Hartmetalle sehr gut verwendet werden. Darüber hinaus sind auch hochtemperaturfeste Werkstoffe wie die sogenannten Superlegierungen (beispielsweise Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierungen) interessant. Für teure Materialien bietet das MIM-Verfahren Vorteile dahingehend, dass Angüsse oder der Ausschuss von Grünlingen einfach regranuliert und erneut zu Grünlingen spritzgegossen werden können, ohne dass die Qualität der Bauteile darunter leidet. Dies ermöglicht eine sehr geringe Ausschussquote und macht den Metallpulverspritzguss besonders ressourcenschonend. Daher wird er Bilder: OBE MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 05/18

4 S 21 Bild 5. Fertigungsverfahren, die mit dem Metallpulverspritzguss konkurrieren, dargestellt in Abhängigkeitvon Stückzahl/Jahr und Bauteilkomplexität [1] auch als Green Technology bezeichnet [4]. Grundsätzlich eignen sich alle Materialien, die in Form von Metallpulver auch in anderen pulvermetallurgischen Verfahren, beispielsweise beim Presssintern oder in in der additiven Fertigung, eingesetzt werden. Sehr flexibel bei der Nacharbeit Trotz der Designfreiheit von MIM-Bauteilen sind manchmal Nachbearbeitungen notwendig, die sich mit dem Metallpulverspritzgießen aber sehr gut kombinieren lassen. Beim sogenannten MIMplus - Verfahren von OBE werden Bauteile sowohl als Grünling als auch im gesinterten Zustand unter anderem mit spanenden Verfahren nachbeabeitet. Sehr kostengünstig läuft dies beispielsweise bei Grün - lingen ab. Diese sind noch weich, wodurch sich Prozessschritte wie Gewindeschneiden oder Bohren sehr preiswert gestalten. Dabei können Grünlinge sowohl spanend (Schneiden von Gewinden, Fräs - arbeiten oder Anbringen von Bohrungen) als auch mittels Laser (Bohrungen, Oberflächenstrukturen) bearbeitet werden. Durch die verfahrensbedingten, sehr geringen Toleranzen von circa 0,5 bis 1 Prozent des Nenn - maßes müssen Werkstücke aus dem Metallpulverspritzguss nicht unbedingt nachgebessert werden [3]. Minimale Toleranzen von circa ±0,02 mm lassen sich reproduzierbar erzielen. Ist doch noch eine höhere Bauteilgenauigkeit gefordert, können beim MIMplus Sinterteile auch nachbearbeitet werden. So sind spanende Verfahren wie Fräsen, Schleifen, Reiben oder Honen neben zahlreichen weiteren Standardverfahren etabliert. Hochpräzise und hochbelastete Metallbauteile wie Schlepphebel in Hochleistungsmotoren von Sportfahrzeugen sind damit in hoher Stückzahl herstellbar (Bild 6). Highspeed für die dritte Dimension Die optische z-achse excellishift bricht Dynamikrekorde in der 3D-Bearbeitung, dank linsenfreiem Design: Bis zu 5-fach schneller als ein varioscan 20 Ideal mit excelliscan und intelliscan Scan-Köpfen kombinierbar Ausgelegt für IR- und SHG-Laser Erweitert 2D-Scan-Köpfe zu 3D-Scan-Systemen Für Fragen kontaktieren Sie uns unter info@scanlab.de MIKROPRODUKTION 05/18

5 22 l S M I K R O S P R I T Z G I E S S E N Bild 6. Präziser Schlepphebel mit geringem Gewicht aus einem Hochleistungsmotor Bild 7. MIM-Bauteil aus Titan, das Oberflächenbehandlungen unterzogen und für das Interieur von Luxusfahrzeugen entwickelt wurde Möglichkeiten der Oberflächenveredelung MIM-Bauteile weisen bereits ohne Nacharbeit eine mittlere Oberflächenrauigkeit von circa 0,2 bis 5 µm auf. Diese hohe Oberflächengüte bietet Kostenvor teile gegenüber Verfahren, die häufig zu Werk - stücken mit einer größeren Rauheit führen. Sind hochglänzende Bauteile mit Sichtflächen, beispielsweise für Schmuck, oder Elemente mit hochbelasteten Funktionsflächen gewünscht, müssen sich auch MIM-Bauteile Oberflächenveredelungen unterziehen. Dazu bieten sich Schleif- und Polierprozesse an, mit denen sich dank der nahezu porenfreien Bau - teil oberfläche auch Hochglanzoberflächen erzeugen lassen. Einige gängige Oberflächenbehandlungen von MIM-Teilen zeigt Bild 7. Ein Beispiel dafür sind Schleif- und Polierverfahren wie das Gleitschleifen. Mittels Sandstrahlen können gleichmäßige, matte Ober flächen bereitgestellt werden, während das Anodisieren Korrosionsschutzschichten einfärbt oder einstellt. Für hochbelastete Bauteile, die stark verschleißbelastet sind, lassen sich auch mit CVD (Chemical Vapour Deposition) oder PVD (Physical Vapour Depo si - tion) sehr gut Beschichtungen aufbringen. Diese Schichten besitzen hervorragende Eigenschaften, um den Verschleiß zu minimieren und die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern. MIM wird höheren Ansprüchen gerecht Das Metallpulverspritzgießen empfiehlt sich für komplexe Metallbauteile in Großserien, da sich Gewicht einsparen lässt und die Bauteile bei steigender Komplexität zunehmend kleiner werden. Auch die chemische, thermische und mechanische Belastung führt dazu, dass hinsichtlich neuer Werkstoffe, beispielsweise Nichteisenmetalle oder Hochtemperaturwerkstoffe, zunehmend weiter geforscht Bilder: OBE MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 05/18

6 M I K R O S P R I T Z G I E S S E N l S 23 und entwickelt wird. Im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Zerspanen, Feingießen oder Press sintern steigt so die Wett bewerbsfähigkeit des MIM-Verfahrens. MI AUTOR Dr.-Ing. JOHANNES MAURATH ist Entwicklungsingenieur in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Bereichs Metallpulverspritzguss bei der OBE Ohnmacht & Baumgärtner GmbH in Ispringen; jmaurath@obe.de LITERATUR 1 Burkhardt, C.: Metallpulverspritzguss Fertigung komplexer Bauteile in höchster Präzision. Die Bibliothek der Technik, Band 359. Süddeutscher Verlag onpact GmbH, München (2013) 2 German, R. M.: Injection Molding of Metals and Ceramics. Metal Powder Industries Federation. Princeton (USA) (1997) 3 MIM-Expertenkreis. Abgerufen am von images/stories/mim_broschuere_de_ pdf 4 Abgerufen am von een-tech.asp MIKROPRODUKTION 05/18