MicroPIM im Fokus. 3mm. 2,932mm. K. Plewa, E. Honza, T. Müller, V. Piotter.

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1 MicroPIM im Fokus K. Plewa, E. Honza, T. Müller, V. Piotter Institut für Angewandter Materialien W erkstoffprozesstechnik (IAM W PT) 3mm 2,932mm KIT University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung Pulver Formeinsatz Mikro-Spritzgießwerkzeug Mikrospritzgießmaschine MikroPIM - Simulation MikroPIM - Verfahrenstechnik MikroPIM - Verbessern der Abformqualität 2-Komponenten-MikroPIM Mikro-Pulver-Einlegespritzgießen (IML-MikroPIM) Ausblick 2 50 Jahre Arburg PIM Kompetenz

3 Karlsruher Institut für Technologie 364 Professoren 8500 Mitarbeiter Studenten 6 Spritzgießmaschinen Kneter, Extruder, Rheometer etc. zur Entwicklung von Formmassen und vermessung etc. Öfen zum Entbindern und Sintern keramischer und metallischer Spritzlinge 3 50 Jahre Arburg PIM Kompetenz

4 Einleitung Was ist Mikro? Definitionen: Mikroteil Gesamtgröße, z.b. 3mm mit Details in Mikrometergröße Source: KIT / IMT: Skript: Grundlagen der Mikrosystemtechnik II, Jahre Arburg PIM Kompetenz Mikrostrukturiertes Teil Makroskopisches Teil mit mikrostrukturierter Oberfläche, z.b. DVD s

5 Einleitung Beispiele Mikro Peltier Element, Cu Kinki Universität, Japan Diffusor, ZrO 2, Grünling, Outer- 3,8mm, SFB499 Kapillare für feine Verbindungen Spitze-Ø=45µm, Bohrung-Ø=19µm SPT Roth Ltd., CH EPMA Award 2008 an Parmaco Metal Injection Molding AG, CH IT Verbinder, ZrO 2, 64 Durchgängen, 8-eck 125µm Formatec Technical Ceramics bv, NL 5 50 Jahre Arburg PIM Kompetenz

6 Einleitung Übersicht abhängig von Formeinsatzfertigung ** Fließlängen / Wandstärkeverhältnis Werkstoffe min. lat. Größen [µm] min. Details [µm] Aspektverhältnis** [frei stehende Srukturen] Toleranzen [%] Rauigkeit* Rmax / Ra [µm] Einsetzbare Pulver Metall >10 ±0.5 7 / 0.8 Keramik <10 <3 <15 (±0.1) ±0.3 2 / < PH, 316L, Cu, W, W-alloys ZrO 2, Al 2 0 3, ZTA, Al 2 O 3 /TiN, Si 3 N 4 Einige Beispiele zu Vor- und Nachteilen des MikroPIM Kleine Korngröße der Pulver feineres Gefüges Geringe Temperaturgradienten durch hohes Oberflächen/Volumenverhältnis Vorzeitiges Einfrieren durch hohes Oberflächen/Volumenverhältnis Verwendung feinerer Pulver resultiert in hoher Viskosität 6 50 Jahre Arburg PIM Kompetenz

7 Pulver Voraussetzungen: Kleine Pulverkorngröße: mittlere Korngröße (d 50 ) sollte weniger als 1/10 des kleinsten abzubildenden Details betragen Detail- und Oberflächengüte: möglichst feine Pulverkorngröße Fließrichtung Tomografie Biegebalken 260 x 260 µm (Grünling) 7 50 Jahre Arburg PIM Kompetenz

8 Pulver d 50 keramisches Pulver: ca. 0.44µm (Tosoh ZrO 2 TZ-3YS-E) d 50 metallisches Pulver: ca. 2.5µm (Osprey, 17-4PH, gesichtet) kleinere Metallpartikel wegen Oxidation schwer zu verarbeiten ABER: Korngröße der Pulver so groß wie möglich um niedrige Viskosität und geringen Sinterschrumpf zu erreichen Lösungen: Optimierung der Additive und Dispergatoren Multimodale Pulverpartikelverteilung 17-4PH -5 µm 8 50 Jahre Arburg PIM Kompetenz

9 Formeinsatz Formeinsätze für Mikrospritzgießen LIGA SU8 Spanabhebend Silizium Laser -1 Röntgentiefen- Lithografie + Galvanofrmung UV-Lithografie + Galvanoformung Mikrofräsen, -drehen, Erodieren Si-ätzen Laser-Ablation Nickel, (Ni-all.) Nickel, (Ni-all.) Brass, Steel Silizium Stahl, HM, Keramik + AR = Entformungsschrägen + Entformungsschrägen AR = 5 Verschleißfest + R max = 0.04µm AR = mind. 5 AR = Hinterschneidungen AR = 5 (10) - Lieferzeit - Oberflächenrauigkeit R max = µm - selten verwendet, spröd - R max = 2µm 9 50 Jahre Arburg PIM Kompetenz

10 Mikro-Spritzgießwerkzeug Besonderheiten Evakuierung Variotherme Prozessführung (falls erforderlich) Kühlkreislauf Evakuieren der Kavität Einspritzen Kühlphase Aktives kühlen des Wkz. Kühlkreislauf O-Ring Bohrung Vakuum *Wkz. - Werkzeug Heizen/ Kühlen= Variotherme Prozessführung erforderlich für die Abformung von hohen Aspektverhältnissen(AR) Jahre Arburg PIM Kompetenz

11 Mikro-Spritzgießwerkzeug Variotherme Prozessführung stationär Wkz.-Temperatur Zykluszeit Wkz.-Temperatur Zykluszeit T M : Wkz.-temperatur einspritzen T D : Wkz.-Temperatur entformen Geeignet für: Teile mit hohen Oberflächenanforderungen, Ausheilung von Bindenähten Reduzierung von Pulver- / Binderentmischungen Formmassen mit hoher Wärmeleitfähigkeit Reduzierung unvollständiger Formfüllung Jahre Arburg PIM Kompetenz

12 Mikrospritzgießmaschine Standard Spritzgießmaschine oder Mikro-Spritzgießmaschine? Schussvolumen, e.g. 200mm 3 bei 2mm 3 Teilvolumen Zykluszeit: 30s 18mm-Spritzeinheit: Schmelzevolumen ca. 35cm 3 Verweilzeit 85min Thermischer Abbau der Formmasse! Lösungsmöglichkeiten Vergrößern des Schussvolumens Werkzeug mit Mehrfachkavitäten Kleinere Spritzgießmaschine Trennung von Dosieren und Einspritzen 2 Schritte: Extruder + Einspritzschnecke oder -kolben z.b. Schmelzevolumen in einem 14mm-Extruders ca. 12cm 3 Verweilzeit 30min Jahre Arburg PIM Kompetenz

13 Mikrospritzgießmaschine Standard Spritzgießmaschine oder Mikro-Spritzgießmaschine? Arburg Mikro-Spritzeinheit Schussvolumen, e.g. 200mm 3 bei 2mm 3 Teilvolumen Zykluszeit: 30s Schnecken- Vorplastifizierung 15mm oder 18mm 18mm-Spritzeinheit: Schmelzevolumen ca. 35cm 3 Verweilzeit 85min Druckgeregelte Schmelzeförderung bis zur Spitze der Einspritzschnecke Lösungsmöglichkeiten Thermischer Abbau der Formmasse! Thermischer Abbau der Formmasse! Vergrößern des Schussvolumens Werkzeug mit Mehrfachkavitäten Kleinere Spritzgießmaschine Einspritzschnecke Trennung von Dosieren 8mm und Einspritzen 2 Schritte: Extruder Einsetzbar + für Spritzeinheit 70 Einspritzschnecke oder -kolben z.b. Schmelzevolumen in einem 14mm-Extruders ca. 12cm 3 Servo-elektrischer Antrieb Verweilzeit 30min Jahre Arburg PIM Kompetenz

14 MikroPIM - Simulation Motivation Reduzierung von Überarbeitungsschleifen An Spritzguss angepasste Teilgestalt Prognose von Spritzparametern Herausforderungen Kommerzielle Software basiert auf Ein-Phasen-Modell Pulver-Binder Entmischung, Trägheitseffekte etc. nicht berücksichtigt Hohes Oberflächen- / Volumenverhältnis nicht berücksichtigt Häufig liegen unerwünschte Wanddickensprünge vor Pulver-Binder Entmischungen; Deformationen Jahre Arburg PIM Kompetenz

15 MikroPIM - Simulation Laufrad einer Mikroabgasturbine ZrO 2 -Feedstock (50-Vol%) Ungefähre Vorhersage Freistrahl Scherraten Faltenbildung Schwerkrafteffekte Quantitative Analyse Jahre Arburg PIM Kompetenz

16 MikroPIM - Verbessern der Abformqualität Spritzgießen I Einspritzen II Nachdruck Simultanes Spritzprägen III Einspritzen IV Prägekraft Einführung eines zusätzlichen Prägeschritts um die Formmasse fließfähig zu halten - Erprobung bei LIGA Formeinsätzen - Kleinste Struktur 94µm - Verwendung eines ZrO 2 -Feedstocks (50vol%) - Vergleich der Abformqualität ohne / mit Prägeschritt Jahre Arburg PIM Kompetenz

17 MikroPIM - Verbessern der Abformqualität Ohne Prägen Mit Prägen (MikroCPIM) - Verbesserte Formfüllung an Engstellen - Gut geeignet für MikroPIM - Verbesserte Formfüllung größerer Abschnitte? Jahre Arburg PIM Kompetenz

18 2-Komponenten-MicroPIM Motivation Funktionsintegration durch Kombination unterschiedlicherwerkstoffe Erzeugung beweglicher und fester Verbindungen anpassen des Sinterverhaltens Reduzierter Handhabungs- und Montageaufwand dl/l 0 0,05 0,00-0,05-0,10 PYT H ZrO 2 UFX-DBM Al 2 O 3 CT300SG Al 2 O 3 TM-5D Al 2 O 3 Früher Sinterschrumpf des Al 2 O 3 (rote und grüne Kurven) später startender Sinterschrumpf des ZrO 2 (PYT H) -0,15-0,20-0, T in C Hartmetall WCxCo mit unterschiedlichen Beimengungen (16% and 6%), ARBURG Jahre Arburg PIM Kompetenz

19 2-Komponenten-MicroPIM Verbindung fest beweglich Binder angepasst nicht entscheidend Pulverfüllgrad ähnlich φ außen > φ innen Sintertemperatur ähnlich T außen > T innen Therm. Ausdehnung ähnlich ähnlich ZrO 2 Al 2 O Jahre Arburg PIM Kompetenz

20 Mikro-Pulver Einlegespritzgießen (IML-MicroPIM) Kombination der Vorteiler zweier Formgebungsverfahren doctor blade Foliengießen Folie Feedstock EU Project No. FP7-NMP Jahre Arburg PIM Kompetenz

21 Mikro-Pulver-Einlegespritzgießen (IML-MikroPIM) IML-Werkzeug Schließen + Einspritzen Öffnen + Entformen µ-strukturierter Formeinsatz Metallische oder keramische Folie PIM-Feedstock aus Pulver 1 Folie aus Pulver 2 Pulver 2: Funktionale Schicht oder Nanopartikel auf der Bauteiloberfläche bessere Abformqualität, bessere Oberflächenqualität, functionelle Eigenschaften etc Jahre Arburg PIM Kompetenz

22 Mikro-Pulver-Einlegespritzgießen (IML-MikroPIM) Aufbau Formeinsatz mit Zick-Zack Profil Folie( ZrO 2 ) PIM-Feedstock (ZrO 2 ) Grünling Gesintert T = 1450 C Jahre Arburg PIM Kompetenz

23 Mikro-Pulver-Einlegespritzgießen (IML-MikroPIM) Maßverfolgung gesintert Bewertung des Abformergebnisses Richtwert: Höhe der Zacken Jahre Arburg PIM Kompetenz signifikanter Einfluss der Werkzeugtemperatur und des Nachdrucks Einspritzgeschwindigkeit: nahezu kein Einfluss

24 Ausblick Verbessern der Abbildungsgenauigkeit Verbessern der Oberflächenqualität Einfluss von Dispergator, modifizierter Verfahrenstechnik etc. Erweitern der Materialpalette durch Einsatz anderer Technologien / Prozesse Verbessern der Spritzgießsimulation speziell für MikroPIM und PIM Modifizierte Modelle, Multiphasen Modelle Bildliche Darstellung des Formfüllverhaltens Jahre Arburg PIM Kompetenz

25 Danksagung - Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF - Europäischen Komitee - Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG (SFB 499) - Land Baden-Württemberg - Fraunhofer Institut IKTS - Fraunhofer Institut IFAM - MIM- und CIM-Expertenkreis - Allen Kollegen am KIT und der Universität Freiburg Danke! Jahre Arburg PIM Kompetenz