Pulverspritzguss MIM/CIM

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1 Pulverspritzguss MIM/CIM Einleitung Abmessungen/Toleranzen Technologie Einsatzkriterien Markt Wettbewerbsverfahren Werkstoffe Zusammenfassung Verfahren MIM/CIM bei Prontoplast

2 Einleitung Pulverspritzguss ist eine Fertigungstechnologie zur Herstellung einbaufertiger oder endkonturnaher Bauteile aus Metall oder Keramik mit komplexer Geometrie. Die Vorteile dieser jungen Technologie gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren sind: die grosse Formgebungsfreiheit des Kunststoffspritzgiessens verbunden mit den breiten Werkstoffmöglichkeiten der Pulvertechnologie

3 Begriffe Pulvermetallurgie Kunststoffspritzguss MIM PIM PIM = Powder Injection Molding Pulverspritzguss MIM = Metal Injection Molding Metallpulver-Spritzguss CIM CIM = Ceramic Injection Molding Keramikpulver-Spritzguss Keramik

4 Technologie Geschichte Die PIM-Technologie wurde schon in den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts eingesetzt (Isolatoren aus keramischen Pulvern) 1950 wurden diverse Anwendungen mit Metall- und Keramikpulvern, die mit duro- und thermoplastischen Bindersystemen vermischt wurden, realisiert industrieller Durchbruch der PIM-Technologie. Zwei Bauteile für die Raumfahrt erhielten einen Industrie-Design-Preis grosse Fortschritte in der industriellen Nutzung von Pulverspritzguss mit Keramiken erste Feedstocks verarbeitungsfertige Mischungen Metall-/Keramikpulver und Binder sind bei grossen Chemiekonzernen erhältlich.

5 Markt Aktuell weltweit etwa 500 PIM-Bauteilhersteller, davon 2/3 im MIMund 1/3 im CIM-Bereich tätig Zur Zeit etwa 6000 Angestellte im PIM-Markt beschäftigt Im Jahr 2000 wurden mit PIM-Teilen 700 Millionen USD Umsatz erwirtschaftet (50 % USA und je 25 % in Europa und Asien) Etwa 60 % des Umsatzes durch MIM-Bauteile aus Eisenbasiswerkstoffen Der MIM-Markt wächst jährlich mit 15 % und mehr Die Zunahme der MIM- Teile in Kilogramm pro Auto in den vergangenen zehn Jahren, gibt einen Hinweis auf das grosse Potential dieser Technologie

6 Werkstoffe Pulver/Binder Alle Metalle, die in angemessener Pulverform erhältlich sind, können mit MIM verarbeitet werden Die Korngrössen liegen in der Regel zwischen 1 20 µm Damit das Pulver verarbeitet werden kann, ist ein Binder notwendig. Gebräuchliche Bindersysteme bestehen aus organischen Komponenten natürliche Wachse oder synthetische Polymere (PE, PP, PA, POM).

7 Metallische Werkstoffe Niedriglegierte Stähle und Werkzeugstähle: Eisen mit 2 bis 8 % Ni einsatzhärtbar oder vergütbar 21 NiCrMo einsatzhärtbar oder vergütbar 42 CrMo vergütbar 100 Cr vergütbar, verschleissbeständig Sc verschleissbeständig Edelstähle: X2 CrNiMo nichtmagnetisch X15 CrMnMoN nichtmagnetisch X6 Cr ferromagnetisch X5 CrNiCuNb härtbar, ferromagnetisch X20 Cr härtbar, ferromagnetisch Andere: Titan, weichmagnetische Legierungen, Nickel- und Kobaltbasislegierungen, Wolframschwermetalle, Hartmetalle, Buntmetalle Aluminium erst im Entwicklungsstadium

8 Keramische Werkstoffe Oxidkeramik Aluminiumoxid 96 und 99.8 % Aluminiumoxid, zirkonverstärkt (ZTA) Zirkonoxid mit Yttriumoxid (TZP) andere Zirkonoxid mit Farbpigmenten Siliciumcarbid, Siliciumnitrid Porzellan Kundenspezifische Keramiken

9 Verfahrensschritte

10 Verfahrensschritte - Formgebung Feedstock Grünling Die Verarbeitung des Feedstocks auf einer Spritzgussmaschine entspricht weitgehend derjenigen von thermoplastischen Kunststoffen. Wichtige Unterschiede sind die folgenden: Spritzeinheit und Spritzgusswerkzeug unterliegen einem höheren Verschleiss als bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen. Der Grünling besitzt eine sehr geringe mechanische Festigkeit. Die Teile müssen vorsichtig entnommen werden. Nach dem Spritzgiessprozess ist das Bauteil nicht fertig. Es folgen mindestens zwei weitere Fertigungsschritte bis zum endgültigen Formteil.

11 Verfahrensschritte - Entbindern Beim Entbindern werden % des Bindemittels aus dem Grünling entfernt. Nach erfolgter Entbinderung wird das Formteil lediglich durch den gezielt eingestellten Restbindergehalt zusammengehalten (Backbone). Der Gewichtsverlust vom Grünling zum entbinderten Braunling beträgt ca %.

12 Verfahrensschritte - Sintern Erst durch das Brennen der Formteile bei hohen Temperaturen wird das keramische oder metallische Pulver in den eigentlichen Werkstoff überführt und erlangt dadurch seine materialspezifischen Eigenschaften: Dichte von % der theoretischen Werkstoffdichte Entsprechende Eigenschaften mechanische Während der Sinterung erfährt das Bauteil eine Volumenkontraktion von %.

13 Abmessungen, Toleranzen MIM/CIM Bauteile sollen mit Abmessungen von 5 bis 100 mm, mit Wandstärken unter 25 mm, besser zwischen 1 und 10 mm mit Gewichten von 0,1 bis 100 g konstruiert werden. In Anlehnung an die Norm DIN ISO 2768 ergeben sich die folgenden, typischen Toleranzen für MIM-/CIM-Teile: Dies sind typische Werte, die in der Praxis oft unter- oder überschritten werden.

14 Einsatzkriterien Stückzahlen über Stück pro Jahr Mittlere bis hohe Komplexität des Bauteils Bauteilmasse zwischen 0,1 bis 100 g Der Break-Even liegt bei< 5 10 g pro Teil Toleranzen > ± 0,3 % vom Nennmass Herstellungskosten zwischen CHF pro Kilogramm

15 Vorteile gegenüber Wettbewerbsverfahren MIM vs PM MIM liefert höhere Festigkeiten MIM-Teile sind gasdicht Bessere Korrosionsbeständigkeit Bauteilintegration MIM vs Spanen Gewichtseinsparung Schwer zerspanbare Werkstoffe können verarbeitet werden Bauteilintegration MIM vs Spritzguss Thermische und mechanische Eigenschaften liegen über denen von Kunststoff MIM-Teile sind gasdicht MIM vs Feinguss Bessere Oberflächengüte Engere Toleranzen Weniger Nacharbeit Dünnere Wandstärken Kleinere Bohrungen machbar Höhere Stückzahlen/kürzere Fertigungszeiten

16 Zusammenfassung MIM/CIM ermöglicht die Massenfertigung von endkonturnahen Bauteilen aus Metall oder Keramik Vom Granulat bis zum fertigen Bauteil sind drei Verarbeitungsschritte notwendig: Spritzgiessen Entbindern Sintern Eine breite Materialpalette an metallischen und keramischen Feedstocks (verarbeitungsfertige Materialmischung) Faustregel für die Fertigungstoleranzen: +/- 0,5 % vom Nennmass Einsatzkriterien: Bauteilmasse ideal 0,1 bis 100 g mittlere bis hohe Komplexität Stückzahlen ab p.a.

17 Pulverspritzguss bei Prontoplast Spritzguss GmbH Diese Technologie überzeugt uns. Wir bieten unseren Kunden die Möglichkeit neben Bauteilen aus Thermoplast auch solche aus Metall und Keramik bei uns zu bestellen. Ob eine Machbarkeitsabschätzungen oder ein konkretes Angebot, wir sind bereit. Bei uns sind Sie an der richtigen Adresse. Mit unserer langjährigen Erfahrung in der Spritzgusstechnik, können wir Sie kompetent ab dem ersten Strich auf dem Skizzenblock beraten und unterstützen. Für Fragen und Anfragen stehen wir jederzeit gerne zur Verfügung.

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